联合第一作者、来自悉尼大学物理学院的Sahand Mahmoodian博士。
科学家们首次在悉尼大学和瑞士巴塞尔大学展示了能够高效操作和识别少量相互作用的光子——光能量包——的能力。
这一前所未有的成就标志着量子技术发展的重要里程碑。该研究今天发表在《自然物理学》上。
激发的光发射是由爱因斯坦在1916年提出的，广泛用于观察大量光子，并奠定了激光发明的基础。通过这项研究，激发的发射现在已经观察到单个光子。
具体来说，科学家们能够测量一个光子与一对绑定的光子散射到一个量子点（一种人工制造的原子）上，并直接观察其时间延迟。
“这打开了一个可以称之为‘量子光’的操控之门，”悉尼大学物理学院的Sahand Mahmoodian博士说道。他是该研究的联合第一作者。
他说：“这一基础科学将为量子增强测量技术和光子量子计算的进步铺平道路。”
通过观察一个多世纪前的光与物质之间的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量的波动模式，而是表现出两种特性，即波粒二象性。
光与物质的相互作用方式一直吸引着科学家和人类的想象力，不仅因为其理论美感，而且具有强大的实用价值。
无论是光如何穿越星际介质的巨大空间，还是激光的发展，光的研究都是至关重要的科学，并具有重要的实用价值。没有这些理论基础，几乎所有现代技术都将是不可能的。没有手机、没有全球通信网络、没有计算机、没有GPS、没有现代医学成像。
在使用光进行通信时——通过光纤——能量包光子不容易相互作用。这创造了接近无畸变的信息传输速度。
然而，有时我们需要让光相互作用。在这方面，事情就变得复杂了。
例如，光被用来使用干涉仪器测量距离的微小变化。这些测量工具现在很常见，无论是在先进的医学成像中，还是在重要但可能更泛俗的任务中，比如为牛奶进行质量控制，或者是像LIGO这样的复杂仪器，它在2015年首次测量了引力波。
量子力学的定律设定了这些设备灵敏度的限制。
这个限制在于测量的灵敏度和测量设备中光子的平均数量之间的关系。对于传统的激光光，这与量子光是不同的。
共同作者Natasha Tomm博士。
来自巴塞尔大学的共同第一作者Natasha Tomm博士说：“我们建造的这个设备引起了光子之间的强烈相互作用，我们能够观察到一个光子与两个光子相比与之的不同。
“我们观察到一个光子的延迟比两个光子长。通过这种非常强烈的光子-光子相互作用，这两个光子形成了所谓的两光子束缚态。”
像这样的量子光具有一个优点，即原理上可以使用更少的光子进行更敏感的测量，并获得更好的分辨率。在生物显微镜应用中，这可能是重要的，当大量光强可能损坏样本，并且要观察的特征特别小的时候。
“通过证明我们可以识别和操纵光子束缚态，我们已经迈出了利用量子光进行实际应用的至关重要的第一步，”Mahmoodian博士说。
“我的研究的下一步是要看看这种方法如何用于产生对容错量子计算有用的光状态，这是由PsiQuantum和Xanadu等价值数百万美元公司推进的。”
Tomm博士说：“这个实验很美观，不仅验证了一种基本效应——激发辐射——在其极限范围内的有效性，而且还代表了向更先进应用迈出的重大技术步骤。
“我们可以应用相同的原理来开发更有效的设备，将带给我们光束缚态。这对各个领域的应用都非常有希望，从生物学到先进制造和量子信息处理。”
这项研究是在巴塞尔大学、汉诺威莱布尼兹大学、悉尼大学和波鸿鲁尔大学之间合作进行的。
首席作者是巴塞尔大学的Natasha Tomm博士和悉尼大学的Sahand Mahmoodian博士，他在那里是澳大利亚研究理事会未来学者和高级讲师。
这些人工原子（量子点）是在波鸿制造的，并用于在巴塞尔大学的纳米光子学实验室进行的实验。该发现的理论工作是由悉尼大学和汉诺威莱布尼兹大学的Mahmoodian博士进行的。
声明
该研究得到了澳大利亚研究理事会和工程量子系统卓越中心（EQuS）的资助，瑞士国家科学基金会（SNSF），欧洲联盟Horizon 2020研究项目的资助，巴塞尔大学研究基金，德国DFG和BMBF。”
