博科園：本文為光學與光子學類量子物理學家現在可以蒸餾出一種光子杜松子酒，當蒸餾酒精時，酒精的含量相對於水的含量增加。加興馬克斯普朗克量子光學研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics)的一個團隊開發了一種類似方法，研究光量子光子。它從光源中提取單個光子，將不需要的真空成分推回去。這種單光子對於目前正在興起的量子信息技術來說是非常重要的量子比特。這確實讓人想起蒸餾酒精背後的原理——儘管位於馬克斯普朗克量子光學研究所實驗室的這個裝置看上去與蒸餾杜松子酒裝置完全不同。
Garching實驗增加了單個光子相對於真空的比例，這種動機對普通大眾來說可能聽起來很奇怪。然而，它直接導致了量子物理的奇異世界。在量子信息技術中，能夠精確傳輸一個光子的弱光源起著核心作用。作為量子比特，光子可以傳輸量子網絡、量子加密和量子計算機所需的基本量子信息——就像當前的數位技術處理單個比特作為信息載體一樣。單光子源構建是近年來國際上研究的一個難題，這聽起來很令人吃驚，因為只需輕觸一下電燈開關就能照亮一個房間，然而，燈發出的光對應著大量光子電流。
如果把光源調暗到只有單個光子能逃脫的程度，就面臨著量子世界的擲骰子性質；有時什麼也沒有來，然後兩個或三個光子來了，以此類推。這有點像從蒸餾器裡滴出來的水。無法準確預測油價何時下跌，或下跌幅度有多大，任何真空都不能添加到乾淨製備的光子中來自馬克斯普朗克量子光學研究所格哈德·雷姆普斯系的物理學家們無意開發另一種單光子光源。相反，他們的實驗可以從任何非常微弱的光源(比如靜止光源)中提取單個光子，並可靠地報告這一事件，嚴格地說，與獲得光子相比，它減少了純真空的比例。
量子世界的一個特點是真空本身代表量子態，如果想乾淨地製備光子，就不需要添加真空。Rempes團隊的新研究工作面臨著兩個挑戰，第一個挑戰是精確地獲得一個光子。第二是可靠地檢測它，一個銣原子可以一步完成這兩項任務。這個原子在一個鏡櫃裡。更準確地說，它被困在兩面幾乎完美的鏡子之間。在這個「諧振器」中，鏡子的距離恰好相當於半波長光的倍數，原子可以在其中輻射或吸收自己的光子。在該系統中，原子可以像指針一樣在兩個顯示位置之間來回摺疊，這在這裡扮演著重要的角色。
幾個光子相繼靜止，增加了光的純度
可以在諧振器中使用這種原子系統作為光子的靜止物，研究小組將極其微弱的雷射（想從中獲得一個光子）定向到腔內。在那裡，它做了一些只有在量子世界中才能做的事情：它與原子共振器的排列糾纏在一起，從而形成一個共同的量子態。這種糾纏態使系統靜止：通過對原子的測量，物理學家可以從入射光中提取出偶數或奇數光子。然而，這並不像開關一樣工作，量子世界的擲骰子性質阻止光子按下按鈕就能進入。這裡具有決定性意義的是，現在可以使用原子作為指示報告成功的單光子蒸餾指針
物理學家讓這種排列滾動光子，但讓骰子的點數可靠地顯示出來。結合超弱光，「奇光子數」模式現在可以產生一個光子的事件，因為很少有更多的光子可用。蒸餾成功了，「純度」達到66%，這意味著真空含量減少到三分之一。與單光子光源相比，這是第一次嘗試的良好結果。這種純度可以大大提高與更好的光學腔。為了進一步提高通過的光子純度，可以將光子蒸餾元件串聯起來。來自其他單光子源光的質量也可以得到改善。這就像用40%伏特加做60%(或更高)的伏特加。
博科園-科學科普｜研究/來自: Max Planck Society參考期刊文獻:《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.133603博科園-傳遞宇宙科學之美
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