从弱激光中提取出高度纯单光子！

来源：天文物理

量子物理学家现在可以蒸馏出一种光子杜松子酒，当蒸馏酒精时，酒精的含量相对于水的含量增加。加兴马克斯普朗克量子光学研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics)的一个团队开发了一种类似方法，研究光量子光子。它从光源中提取单个光子，将不需要的真空成分推回去。这种单光子对于目前正在兴起的量子信息技术来说是非常重要的量子比特。这确实让人想起蒸馏酒精背后的原理——尽管位于马克斯•普朗克量子光学研究所实验室的这个装置看上去与蒸馏杜松子酒装置完全不同。

Garching实验增加了单个光子相对于真空的比例，这种动机对普通大众来说可能听起来很奇怪。然而，它直接导致了量子物理的奇异世界。在量子信息技术中，能够精确传输一个光子的弱光源起着核心作用。作为量子比特，光子可以传输量子网络、量子加密和量子计算机所需的基本量子信息——就像当前的数字技术处理单个比特作为信息载体一样。单光子源构建是近年来国际上研究的一个难题，这听起来很令人吃惊，因为只需轻触一下电灯开关就能照亮一个房间，然而，灯发出的光对应着大量光子电流。

如果把光源调暗到只有单个光子能逃脱的程度，就面临着量子世界的掷骰子性质；有时什么也没有来，然后两个或三个光子来了，以此类推。这有点像从蒸馏器里滴出来的水。无法准确预测油价何时下跌，或下跌幅度有多大

任何真空都不能添加到干净制备的光子中来自马克斯普朗克量子光学研究所格哈德·雷姆普斯系的物理学家们无意开发另一种单光子光源。相反，他们的实验可以从任何非常微弱的光源(比如静止光源)中提取单个光子，并可靠地报告这一事件，严格地说，与获得光子相比，它减少了纯真空的比例。

量子世界的一个特点是真空本身代表量子态，如果想干净地制备光子，就不需要添加真空。Rempes团队的新研究工作面临着两个挑战，第一个挑战是精确地获得一个光子。第二是可靠地检测它，一个铷原子可以一步完成这两项任务。这个原子在一个镜柜里。更准确地说，它被困在两面几乎完美的镜子之间。在这个“谐振器”中，镜子的距离恰好相当于半波长光的倍数，原子可以在其中辐射或吸收自己的光子。在该系统中，原子可以像指针一样在两个显示位置之间来回折叠，这在这里扮演着重要的角色。

几个光子相继静止，增加了光的纯度

可以在谐振器中使用这种原子系统作为光子的静止物，这个以加兴为基地的小组将极其微弱的激光（想从中获得一个光子）定向到腔内。在那里，它做了一些只有在量子世界中才能做的事情：它与原子共振器的排列纠缠在一起，从而形成一个共同的量子态。这种纠缠态使系统静止：通过对原子的测量，物理学家可以从入射光中提取出偶数或奇数光子。然而，这并不像开关一样工作，量子世界的掷骰子性质阻止光子按下按钮就能进入。这里具有决定性意义的是，现在可以使用原子作为指示报告成功的单光子蒸馏指针

物理学家让这种排列滚动光子，但让骰子的点数可靠地显示出来。结合超弱光，“奇光子数”模式现在可以产生一个光子的事件，因为很少有更多的光子可用。蒸馏成功了，“纯度”达到66%，这意味着真空含量减少到三分之一。与单光子光源相比，这是第一次尝试的良好结果。这种纯度可以大大提高与更好的光学腔。为了进一步提高通过的光子纯度，可以将光子蒸馏元件串联起来。来自其他单光子源光的质量也可以得到改善。这就像用40%伏特加做60%(或更高)的伏特加。

博科园｜研究/来自: Max Planck Society

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.133603