科学家成功操纵量子光，实现了爱因斯坦107年的梦想

正如阿尔伯特·爱因斯坦在 1916 年所设想的那样，科学家们随时准备操纵量子光。

悉尼大学和巴塞尔大学的研究人员成功地操纵和识别了少量相互作用的光子——光能包。据该团队称，这项工作代表了量子技术前所未有的里程碑式发展。

受激光发射——爱因斯坦于 1916 年首次提出的理论，有助于解释光子如何触发原子发射其他光子——为激光的发明奠定了基础（通过受激辐射进行光放大）。长期以来人们都知道大量光子，但这项新研究使科学家们首次能够观察到单个光子的受激发射并对其产生影响。研究人员测量了一个光子和一对从单个量子点（一种人工创建的原子）散射的束缚光子之间的直接时间延迟。

“这为操纵我们所谓的‘量子光’打开了大门，”悉尼大学物理学院的 Sahand Mahmoodian 和《自然物理学》上发表的一篇研究论文的联合主要作者在新闻发布会上说。“这一基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。

光与物质相互作用的方式的现实继续为研究人员提供了基于理论知识发现实际用途的机会，从通信网络到计算机，从 GPS 到医学成像。例如，不易相互作用的光子可用于通信，以光速提供近乎无失真的信息传输。

但有时，我们确实希望光与其他光相互作用。在单光子量子水平上，这长期以来一直困扰着科学家。为了最终了解它的工作原理并实现它，研究人员使用了一种新设备来诱导光子之间的强相互作用。该设备使团队能够看到一个光子从量子点反弹和一对束缚的光子做同样的事情之间的时间延迟差异。

“我们观察到，与两个光子相比，一个光子的延迟时间更长，”巴塞尔大学的娜塔莎·汤姆 (Natasha Tomm) 和联合主要作者在新闻稿中说。“通过这种非常强烈的光子-光子相互作用，两个光子以所谓的双光子束缚态的形式纠缠在一起。”

原则上，这种理解可以让我们开发出更灵敏、分辨率更高的测量方法，同时使用更少的光子，非常适合生物显微镜。我们可以一直将我们的技术推向量子极限。

“通过证明我们可以识别和操纵光子束缚态，我们朝着将量子光用于实际用途迈出了重要的第一步，”Mahmoodian 说。接下来的步骤包括生成对“容错量子计算”有用的光态。

“这个实验很漂亮，不仅因为它验证了一个基本效应——受激发射——在其极限，而且它也代表了向高级应用迈出的巨大技术进步，”Tomm 说。“我们可以应用相同的原理来开发更高效的设备，为我们提供光子束缚状态。这对于广泛领域的应用非常有希望：从生物学到先进制造和量子信息处理。”