作為DAALI 計畫的合作夥伴，柏林洪堡大學的研究人員展示了單原子螢光中存在的一種令人驚訝的效應。由柏林洪堡大學物理系的於爾根-沃爾茲（Jürgen Volz）和阿諾-勞申博特爾（Arno Rauschenbeutel）領導的科學家們是原子-光界面顛覆性方法（DAALI）計畫的合作夥伴，他們對螢光原子的光散射有了新的認識，

單一原子被雷射激發後會散射出一個又一個光子。光學濾波器會從這些單光子流中去除某些顏色成分。這就使剩餘的光子成為同時離開濾光的光子對。資料來源：柏林洪堡大學物理系

這對量子通訊也很有用。研究小組現已在科學期刊《自然-光子學》（Nature Photonics）上發表了他們的研究成果。

1900 年，馬克斯-普朗克（Max Planck）提出了這樣一個假設：光不能與原子等物質交換任意數量的能量，而只能交換某些被稱為量子的離散”能量包”。五年後，阿爾伯特愛因斯坦又提出，這些量子並不僅僅是一個計算量，光本身就是由量子組成的，也就是我們現在所說的光子。事實上，現在的光電二極體靈敏度足以記錄單一光子。在持續照明的情況下，這些光電二極體不會產生穩定的電訊號，而是產生一系列短電流脈衝。每個電流脈衝都表示偵測到一個光子。

如果被雷射光束激發出螢光的單一原子的光照射到這種高靈敏度的光電二極體上，則永遠不會同時偵測到兩個光子。在這方面，單一原子發出的螢光與激發它的雷射不同，因為雷射中的光子確實是同時出現的。但是，如果兩個雷射光子同時照射到一個原子上，原子只會吸收一個光子，而讓第二個光子通過。隨後，原子會將吸收的雷射光子向隨機方向輻射，只有這樣它才能吸收另一個雷射光子。

換句話說，單一原子一次只能散射一個光子，單個原子的螢光中的光子撞擊偵測器時就像珍珠串一樣排成一排。DAALI 計畫和其他量子技術研究都利用了這項特性。例如，在量子通訊中，自然原子或人造原子發出的單光子被用於防竊聽通訊。

光子對的驚人發現

不過，洪堡大學的研究團隊現在已經能夠利用單一原子的螢光來展示一種非常令人驚訝的效果。當科學家用濾光片去除光中的某種顏色成分時，單光子流就會轉換為同時被偵測到的光子對。

因此，只要從單光子流中移除正確的光子，剩餘的光子就會突然變成成對的光子。這種效果無法與我們日常生活中的感知相協調；如果你禁止一條街上所有的綠色汽車，剩下的汽車也不會突然成對地挨在一起行駛。此外，以前認為單一原子一次只能散射一個光子的觀點似乎也被推翻了：如果透過適當的濾色鏡觀察，原子完全可以同時散射兩個光子。

大約40 年前，巴黎國立高等師範學院的讓-達利巴德（Jean Dalibard）和塞爾日-雷諾（Serge Reynaud）在他們關於原子散射光的理論研究中就預測到了這種效應。然而，直到現在，由量子物理學家於爾根-沃爾茲（Jürgen Volz）和阿諾-勞申博特爾（Arno Rauschenbeutel）領導的研究小組才在實驗中證明了這一點。

於爾根-沃爾茲說：”這是一個絕妙的例子，說明當我們試圖了解微觀層面的過程是如何發生的時候，我們的直覺會在多大程度上讓我們失望。”

阿諾-勞申博特爾（Arno Rauschenbeutel）補充說：「然而，這不僅僅是一種好奇心。事實上，產生的光子對是量子力學糾纏的。因此，在兩個光子之間存在著愛因斯坦不願相信的距離上的幽靈作用，例如，由於這種作用，人們可以傳送量子態。”

沃爾茲和勞申博特爾一致認為：”單個原子非常適合作為這種糾纏光子對的來源，直到最近，幾乎沒有人會相信這一點。”

事實上，所展示的這種效應可以實現糾纏光子對的光源，其亮度達到理論上可能的最大值，從而超越現有的光源。此外，這些光子對在本質上與發射它們的原子相匹配。這樣，人們就可以直接將光子與量子中繼器或量子閘連接起來。