原子可以吸收和再發射光–這是日常現象。不過，在大多數情況下，原子會向所有可能的方向發射光粒子–因此，重新捕捉這種光子是相當困難的。科學家們研製出了”量子乒乓球”：利用一種特殊的透鏡，可以使兩個原子高精度地來回反彈一個光子。

麥克斯韋魚眼透鏡中的單光子發射。資料來源：Oliver Diekmann（維也納工業大學）

現在，來自奧地利維也納的維也納理工大學的研究小組已經從理論上證明，使用一種特殊的透鏡，可以保證一個原子發出的單光子被第二個原子重新吸收。不過，第二個原子不僅吸收了光子，還直接將其送回給第一個原子。這樣，原子之間就能一次又一次準確無誤地互相傳遞光子–就像打乒乓球一樣。

帶有兩個原子的麥克斯韋魚眼透鏡。光子（綠色）沿著彎曲的光線（白色）在兩個原子之間移動。資料來源：Oliver Diekmann（維也納科技大學）

“如果一個原子在自由空間的某個地方發射了一個光子，其發射方向是完全隨機的。這使得讓另一個遙遠的原子再次捕捉到這個光子實際上是不可能的，”維也納理工大學理論物理研究所的Stefan Rotter 教授說。”光子是以波的形式傳播的，這意味著沒有人能夠準確地說出它的傳播方向。因此，光粒子是否被第二個原子重新吸收純屬偶然。”

如果實驗不是在自由空間而是在封閉環境中進行，情況就會有所不同。聲學中所謂的”耳語長廊”也有類似的情況：如果兩個人在一個橢圓形的房間裡，正好站在橢圓形的焦點上，即使只是小聲耳語，他們也能聽得一清二楚。聲波被橢圓形牆壁反射後，正好在第二個人所站的位置再次相遇–因此，這個人可以完美地聽到安靜的耳語。

本論文的第一作者奧利佛-迪克曼（Oliver Diekmann）說：”原則上，將兩個原子定位在橢圓的焦點上，就可以為光波構建類似的東西。但實際上，這兩個原子必須非常精確地定位在這些焦點上。”

“量子乒乓”中單光子重複發射和吸收的數值模擬。資料來源：Oliver Diekmann（維也納工業大學）

因此，研究小組根據經典電動力學創始人詹姆斯-克拉克-麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出的魚眼透鏡概念，提出了更好的策略。魚眼透鏡由空間變化的折射率組成。光線在空氣或水等均勻介質中是直線傳播的，而在麥克斯韋魚眼透鏡中光線是彎曲的。

奧利佛-迪克曼解釋說：”透過這種方式，可以確保從一個原子發出的所有光線都以彎曲的路徑到達透鏡邊緣，隨後被反射，然後以另一條彎曲的路徑到達目標原子。在這種情況下，效果比簡單的橢圓形要有效得多，而且偏離原子理想位置的危害也較小。”

“這個麥克斯韋魚眼透鏡中的光場由許多不同的振盪模式組成。這不禁讓人聯想到演奏樂器時同時產生的不同諧波，”Stefan Rotter 說。”我們能夠證明，原子與這些不同振盪模式之間的耦合可以調整到這樣一種方式，即光子幾乎可以肯定地從一個原子轉移到另一個原子–這與自由空間中的情況完全不同”。

一旦原子吸收了光子，它就會處於較高能量狀態，直到很短時間後重新釋放光子。然後遊戲重新開始：兩個原子互換角色，光子從接收原子返回原來的發送原子，如此循環。

到目前為止，這種效果已經在理論上得到了證明，但利用當今的技術可以進行實際測試。斯特凡-羅特爾說：「在實踐中，不僅可以使用兩個原子，還可以使用兩組原子，從而進一步提高效率。這個概念可能是量子控制系統研究極強光物質相互作用效應的一個有趣起點”。

編譯來源：ScitechDaily