量子光是研究量子信息和量子計(jì)算的重要工具之一，具有波粒二象性和量子糾纏等獨(dú)特特性，在通信、傳感和計(jì)算等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。量子光的研究和應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子通信、量子計(jì)算和量子保密等重大應(yīng)用具有重要意義，是當(dāng)今量子信息科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

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近日，在澳大利亞悉尼大學(xué)和瑞士巴塞爾大學(xué)的科學(xué)家的首次嘗試中，他們展示了識(shí)別和操縱少量相互作用的光子（光能包）的能力，這些光子具有高度相關(guān)性。這項(xiàng)前所未有的成就是量子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，該研究于20日發(fā)表在《自然·物理》雜志上。

在1916年，愛(ài)因斯坦提出了受激發(fā)射概念，奠定了激光的基礎(chǔ)。在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家觀察到了單個(gè)光子的受激發(fā)射。具體來(lái)說(shuō)，他們能夠測(cè)量一個(gè)光子和從單個(gè)量子點(diǎn)散射的束縛光子之間的直接時(shí)間延遲。量子點(diǎn)是一種人工創(chuàng)造的原子。

研究人員表示，這項(xiàng)成果為操縱所謂的“量子光”打開(kāi)了大門，同時(shí)，這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)研究為量子增強(qiáng)測(cè)量技術(shù)和光子量子計(jì)算的進(jìn)步開(kāi)辟了道路。

光與物質(zhì)相互作用的方式吸引著越來(lái)越多的研究，例如通過(guò)干涉儀用光來(lái)測(cè)量距離的微小變化。然而，量子力學(xué)定律對(duì)這類設(shè)備的靈敏度設(shè)置了限制：在測(cè)量靈敏度和測(cè)量設(shè)備中的平均光子數(shù)之間。

研究人員表示，他們的設(shè)備在光子之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的相互作用，從而使他們能夠觀察到與之相互作用的一個(gè)光子與兩個(gè)光子之間的差異。他們發(fā)現(xiàn)，與兩個(gè)光子相比，一個(gè)光子的延遲時(shí)間更長(zhǎng)。有了這種非常強(qiáng)的光子—光子相互作用，兩個(gè)光子就會(huì)以所謂的雙光子束縛態(tài)的形式糾纏在一起。

量子光的優(yōu)勢(shì)在于，原則上，它可以使用更少的光子以更高的分辨率進(jìn)行更靈敏的測(cè)量。這對(duì)于在生物顯微鏡中的應(yīng)用非常重要，特別是當(dāng)光的強(qiáng)度可能會(huì)損壞樣品，并且科學(xué)家需要觀察的特征非常微小時(shí)。

研究人員表示，通過(guò)證明可識(shí)別和操縱光子束縛態(tài)，這項(xiàng)研究朝著將量子光用于實(shí)際用途邁出了至關(guān)重要的第一步。同時(shí)，可應(yīng)用同樣的原理來(lái)開(kāi)發(fā)更高效的設(shè)備，以提供光子束縛態(tài)，這將在生物研究、先進(jìn)制造、量子信息處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41567-023-01994-9

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