悉尼大學和瑞士巴塞爾大學的科學家們首次展示了操縱和識別少量相互作用的光子- 光能包的能力，並具有高度相關性。這一史無前例的成就代表了量子技術發展的一個重要里程碑。這項研究的細節於3月20日發表在《自然-物理》雜誌上。

藝術家對光子與人造原子相互作用後如何結合的印象。資料來源：巴塞爾大學

愛因斯坦在1916年提出的刺激性光發射被廣泛觀察到，用於大量的光子，並為激光的發明奠定了基礎。通過這項研究，現在已經觀察到了單光子的刺激發射。

具體來說，科學家們可以測量一個光子和一對綁定的光子從一個量子點（一種人工創造的原子）散射出來的直接時間延遲。

悉尼大學物理學院的Sahand Mahmoodian博士和這項研究的共同主要作者說：”這為操縱我們可以稱之為’量子光’打開了大門。這一基礎科學為量子增強測量技術和光子量子計算的進步開闢了道路。”

來自悉尼大學物理學院的聯合主要作者Sahand Mahmoodian博士。資料來源：悉尼大學

一個多世紀前，通過觀察光與物質的相互作用，科學家們發現光不是一束粒子，也不是能量的波型–而是同時表現出這兩種特性，即所謂的波粒二象性。

光與物質相互作用的方式繼續讓科學家和人類的想像力著迷，既因為其理論上的美麗，也因為其強大的實際應用。

無論是光如何穿越星際介質的廣闊空間，還是激光的發展，對光的研究都是一門具有重要實際用途的科學。沒有這些理論基礎，幾乎所有的現代技術都是不可能的。沒有移動電話，沒有全球通信網絡，沒有計算機，沒有GPS，沒有現代醫學成像。

聯合第一作者巴塞爾大學納米光子學小組的娜塔莎-托姆博士。

在通信中使用光–通過光導纖維–的一個優勢是，光能包，即光子不容易相互影響，這創造了近乎無失真的光速信息傳輸。

然而，我們有時希望光能夠相互作用。在這裡，事情變得很棘手。例如，光被用來測量距離的微小變化，使用的儀器稱為乾涉儀。這些測量工具現在很普遍，無論是在先進的醫學成像中，還是在對牛奶進行質量控制等重要但也許更平凡的任務中，或是以LIGO等精密儀器的形式，它在2015年首次測量了引力波。

量子力學定律對此類設備的靈敏度設定了限制。這個限制是在測量的敏感程度和測量設備中的平均光子數量之間設定的。對於經典激光，這與量子光不同。

聯合主要作者、巴塞爾大學的娜塔莎-托姆博士說。”我們建造的設備在光子之間誘發瞭如此強烈的相互作用，我們能夠觀察到一個光子與之相互作用與兩個光子之間的差異。

“我們觀察到，與兩個光子相比，一個光子被延遲了更長的時間。有了這種真正強大的光子-光子互動，兩個光子以所謂的雙光子束縛狀態的形式變得糾纏在一起。”

像這樣的量子光有一個優勢，即原則上它可以用更少的光子進行更敏感的測量，具有更好的分辨率。這對於生物顯微鏡的應用非常重要，因為大的光強度可能會損壞樣品，而且要觀察的特徵特別小。

Mahmoodian博士說：”通過證明我們可以識別和操縱光子結合狀態，我們已經向利用量子光的實際用途邁出了重要的第一步。我研究的下一步是看這種方法如何被用來產生對容錯量子計算有用的光態，這是由數百萬美元的公司，如PsiQuantum和Xanadu追求的。”

Tomm博士說：”這個實驗是令人驚豔的，不僅因為它驗證了一個基本的效應–刺激發射–的終極極限，而且它還代表了向先進應用邁出的巨大技術一步。我們可以應用同樣的原理來開發更有效的設備，給我們提供光子束縛狀態。這對廣泛領域的應用是非常有希望的：從生物學到先進的製造業和量子信息處理。”