单身变成成对对原子光散射的新见解

DAALI项目的合作伙伴、柏林洪堡大学物理系的JürgenVolz和ArnoRauschenbeutel领导的研究人员对荧光原子的光散射有了新的见解，这也可能对量子通信有用。研究小组现已在《自然光子学》杂志上发表了他们的研究结果。

1900年，马克斯·普朗克提出了这样的假设：光不能与物质(例如原子)交换任意数量的能量，而只能与某些称为量子的离散“能量包”交换。五年后，阿尔伯特·爱因斯坦提出，这些量子不仅仅是一个计算量，光本身也是由量子组成的，我们现在称之为光子。

事实上，现在已经有了足够灵敏的光电二极管来记录单个光子。在连续照明下，它们不会产生稳定的电信号，而是产生一系列短电流脉冲。每个电流脉冲表示单个光子的检测。

放大镜下：激光的散射

如果被激光束激发而发出荧光的单个原子的光照射到如此高灵敏度的光电二极管，则永远不会同时检测到两个光子。在这方面，来自单个原子的荧光不同于激发它的激光，因为光子确实在激光中同时出现。

但如果两个激光光子同时撞击单个原子，该原子将只吸收一个光子并允许第二个光子通过。随后，原子将以随机方向辐射吸收的激光光子，只有那时它才准备好吸收另一个激光光子。

换句话说，单个原子一次只能散射一个光子，单个原子发出的荧光中的光子撞击探测器，就像串上的珍珠一样排列。这一特性在DAALI项目和其他量子技术研究中得到了利用。例如，在量子通信中，天然或人造原子发射的单光子用于防窃听通信。

通过滤波器：单个光子变成对

然而，洪堡大学的研究小组现在已经能够利用单个原子的荧光来证明令人惊讶的效果。当研究人员借助滤光片从光中去除某种颜色成分时，单个光子流转变为同时检测到的光子对。

因此，通过从单光子流中移除正确的光子，剩余的光子突然成对出现。这种效应与我们日常生活世界的认知不符。如果你禁止街道上所有绿色汽车行驶，剩下的汽车不会突然成对并排行驶。此外，之前关于单个原子一次只能散射一个光子的确定性似乎也被证明是错误的：当通过正确的滤色镜观察时，原子非常能够同时散射两个光子。

大约40年前，巴黎高等师范学院的JeanDalibard和SergeReynaud在他们关于原子光散射的理论工作中预测了这种效应。然而，直到现在，量子物理学家Volz和Rauschenbeutel领导的团队才通过实验证明了这一点。

“这是一个很好的例子，说明当我们试图了解微观层面上的过程是如何发生时，我们的直觉在多大程度上失败了，”沃尔兹说。

“然而，这不仅仅是一种好奇，”Rauschenbeutel补充道。“事实上，产生的光子对是量子力学纠缠的。因此，在两个光子之间的一定距离处存在爱因斯坦不想相信的幽灵般的作用，例如，通过这种作用，人们可以传送量子态。”

沃尔兹和劳申博特尔一致认为：“单个原子非常适合作为这种纠缠光子对的来源，直到最近几乎没有人相信这一点。”

事实上，所展示的效果有助于实现纠缠光子对源，其亮度达到理论上可能的最大值，从而超越现有源。此外，光子对本质上与发射它们的原子相匹配。这允许人们直接将光子与使用相同原子并且是长距离量子通信所需的量子中继器或量子门连接。