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相距1.5亿公里的光子

时间: 2019年08月27日 | 作者: Admin | 来源: 原理
在20世纪中叶之前,光在人们心中似乎还只是一种平常的存在。虽然我们知道它可以既是粒子又是波,但它好像并没有表现出其他特别离奇的行为。


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图片来源:NOAA


二战结束之后,科学家们开始更多地关注光的特性。这在一定程度上是受到了过剩的探照灯的推动,这些探照灯可以被转换成廉价的可用于测量恒星特性的光探测器阵列。于是,科学家们掀起了一场针对光子的“淘金热”,他们发现了光的许多有趣行为。


1987年,一项具有里程碑意义的实验出现了,它证明了一个惊人的量子光学效应,那就是当两个完全相同的光子在同一时间进入一个分束器时,就会产生一些让人意想不到的效应。如下图所示,当两个不可区分的全同光子在同时间击中了一面部分反射镜后,我们虽然无法预测它们接下来会往哪个方向传播,但却可以确定无论它们去哪,都会一同前去。


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部分反射镜中两个单光子源之间的干涉:如果这两个光子相同(左),那么它们总是同时离开(方向随机);如果光子不同,那么它们有可能以不同的方向离开。


这与我们在经典世界中的经验是不一样的,假如世界是经典的,那么我们应该看到每个光子的行为都是独立的,它们有一半几率会选择向不同的方向传播。但在量子世界,量子干涉会迫使它们结合在一起,导致它们总以相同的方向离开分束器。


这种类型的干涉只能作用于全同光子,也就是说这种干涉的出现对光源有着非常特殊的要求,它们强烈依赖于能根据指令产生单一的、相同的光子的设备。光子可以通过颜色(即波长)、颜色的纯度(即相干性)、振荡电场的方向(即偏振)、空间形状以及它们到达的时间来进行区分。纵观物理学研究的历史,我们不难发现要创造出这种全同光子是一件极其困难的事,已经有许多研究人员为此奉献了大量的时间和精力。


现在,科学家用精妙的实验证实,太阳就可以成为这样一种光源。他们发现,即使相距1.5亿公里,光子之间也可以存在量子干涉。这为在天文尺度上进行量子光学实验打开了一扇窗户。


我们知道,太阳放出的光子具有非常广的频率和偏振范围,并且科学家是无法控制它们的到达时间的。那研究人员是如何将太阳变成这样一种特殊光源的呢?


量子点(Quantum dots)让这一切成为了可能。量子点是一类通过限制单个电子来产生量子行为的微小物质点。电子的约束作用能将电子限制在特定的能量范围内,当电子要释放能量时,就会发射出光子。


材料科学家找到了制造出这种几乎完全相同的物质点的方法,它们能释放出颜色完全相同的光子。与此同时,科学家们还有办法使它们具有相同的纯度、空间形状和偏振。实验证明,两个量子点是可以发射出全同光子的。


但是,仅仅如此是不够的。虽然科学家可以通过精妙的控制来确保量子点能自然地产生相同的光子,但是对于像太阳这样的不受控的东西,又该怎么做呢?


为了能把太阳变成一个单光子源,研究人员将一个太阳望远镜与一系列光纤、滤光镜,以及光栅结合在了一起,这些光栅是专为生成与他们在实验室中用半导体量子点产生的光子相匹配的光子而设计的。如此一来,他们把持续从太阳捕捉到的光线过滤,只留下具有正确的颜色、纯度、空间形状和偏振的光子。


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实验装置。| 图片来源:[3]


接着,他们将得到的光子与一个来自半导体量子点的光子一同送到一个部分反射镜进行分束。在这个过程中,时间扮演着非常重要的角色。因为实验要求,当来自量子点的光子到达分束器时,同时也只能有一个来自太阳的光子撞击到这个分束器上。


而太阳发射光子的时间是随机且任意的,并且光子数量众多,可用的光子总是不止一个;但一个量子点却只能每10纳秒左右发射一个光子。因此,研究人员必须丢弃许多来自太阳的光子,直到其平均光子速率与量子点的光子速率大致相同,才可能解决在时间上存在的障碍。另外,他们将探测器设定成只能以特定的时间间隔打开,以此来检测一同到达的光子。


在这样的情况下,他们得到了与全同光子实验几乎完全一致的实验结果:当两束光子流在分束器处结合时,如果光子能同时到达,那么它们有90%的几率能一同离开。而不完美之处源自于量子点有时会发出两个光子,且来自太阳的光子流也偶尔会出现两个光子,如此一来,便会使得研究人员无法观测到完美的量子干涉。


但这已经是令人极为满意的结果了,它表明干涉已经超出了经典物理学的预期,这意味着即便是来自自然光源的热光源也可以用于量子光学实验。研究人员还更进一步地做到了将来自太阳的光子与来自量子点的光子纠缠在一起,生成了光子之间的纠缠态。他们证明,这种纠缠态显然违反了贝尔不等式。研究人员解释说,结果表明,在某些量子加密方案中,阳光可以作为一种独立的光源。


这是非常不可思议的结果。它意味着现在我们有了可以把任何老旧的灯泡变成量子源的技术!研究人员还介绍说,来自太阳的单光子的量子特性还将有助于我们理解太阳的活动过程,比如磁场行为等等。因此,它不仅可以带来显而易见的技术应用,还具有令人兴奋的潜在理论前景。


编译:SAI


参考来源:

[1] https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.080401

[2] https://arstechnica.com/science/2019/08/identical-photons-generated-150-million-kilometers-apart/

[3] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.080401