物理学家成功演示了单个光粒子的挤压

来自剑桥量子光学实验室的实验图像。激光被用来激发单个微小的，人工构造的原子（称为量子点），以产生“压缩的”单光子

使用人工构造的原子（称为半导体量子点），一组物理学家成功地证明了对单个光粒子的挤压。

一组科学家已经成功地测量了被“压缩”的光粒子，这是一项在物理学教科书中写成无法观察的实验。

压缩是量子物理学的一种奇怪现象。它产生一种非常特殊的光形式，即“低噪声”，在设计用于拾取微弱信号的技术（例如重力波的检测）中可能很有用。

压缩光的标准方法包括向通常是非线性晶体的材料发射强烈的激光束，该材料会产生所需的效果。

然而，三十多年来，关于另一种可能技术的理论已经存在。这涉及仅用少量的光激发单个原子。该理论指出，类似地，应压缩由该原子散射的光。

不幸的是，尽管该方法的数学基础（即所谓的共振荧光压缩）是在1981年制定的，但是观察该实验的难度如此之大，以至于一本既成的量子物理学教科书却绝望地得出结论：“衡量它似乎无望”。

事实证明，直到现在。在《自然》杂志上，一组物理学家报告说，他们已经成功地证明了使用人工构造的原子（称为半导体量子点）对单个光粒子或光子的挤压。由于该系统增强的光学性能以及用于进行测量的技术，他们能够观察到散射的光，并证明它确实被挤压了。

物理学系卡文迪许实验室的Mete Atature教授和剑桥大学圣约翰学院的院士领导了这项研究。他说：“这是理论家提出的一个基本问题的例子之一，但是经过多年的尝试，人们基本上得出结论，如果存在的话，根本不可能真正看到它。”

“我们之所以能够做到这一点，是因为我们现在拥有的人工原子的光学性能优于自然原子。这意味着我们能够达到观察光子这一基本特性的必要条件，并证明这种奇怪的挤压现象确实存在于单个光子的水平​​上。这是一个非常奇怪的效果，完全违背了我们对光子应该做什么的认识和期望。”

左图表示根据古典物理学定律，与光相关的电磁活动处于最低可能水平。在右侧，该字段的一部分已减少到比技术上可能的要低的位置，但代价是使该字段的另一部分难以测量。由于产生的形状，这种效果称为“挤压”。

像许多量子物理学一样，挤压光的原理涉及一些令人难以置信的概念。

首先是这样的事实，即无论哪里有轻粒子，都会有相关的电磁涨落。这是一种静电，科学家称之为“噪声”。通常，光线越强，噪声越高。调暗光线，噪音降低。

但是奇怪的是，在非常好的量子水平上，情况发生了变化。即使在没有光的情况下，电磁噪声仍然存在。这些称为真空波动。经典物理学告诉我们，在没有光源的情况下，我们将处于完全黑暗的环境中，而量子力学告诉我们，总是存在一些这种环境波动。

Atature说：“如果您看的是平坦的表面，它看起来似乎很平滑，但我们知道，如果您真的放大到超精细的水平，它可能根本就不是完美的光滑。”“真空波动会发生同样的事情。一旦进入量子世界，您就可以开始获得精美的印刷品了。看起来光子为零，但实际上只不过是一点点而已。”

重要的是，这些真空波动始终存在，并为光场的噪声提供了基本限制。即使是已知最完美的光源激光器，也会产生这种水平的波动噪声。

但是，这正是当事情变得更加陌生的时候，因为在正确的量子条件下，甚至可以进一步降低噪声的基本极限。这种低于零的状态或低于真空的状态是物理学家所说的压缩状态。

在剑桥大学的实验中，研究人员通过将微弱的激光束照射到他们的人造原子量子点上来实现这一目标。这激发了量子点并导致了单个光子流的发射。尽管通常情况下，与该光子活动相关的噪声大于真空状态，但是当点仅被弱激发时，与光场相关的噪声实际上下降了，变得小于假定的真空波动基线。

解释为什么会发生这种情况涉及一些高度复杂的量子物理学。但是，其核心是一条称为海森堡不确定性原则的规则。这说明，在任何情况下，如果一个粒子具有两个链接的属性，则只能测量一个，而另一个必须是不确定的。

在古典物理学的正常世界中，此规则不适用。如果物体在移动，我们可以测量其位置和动量，例如，了解物体的前进方向以及到达目的地的时间。位置和动量这两个属性是相互关联的。

但是，在量子物理学这个陌生的世界中，情况发生了变化。海森堡指出，一对中只有一部分可以测量，而另一部分则必须保持不确定。

在剑桥实验中，研究人员利用该规则发挥了自己的优势，在可以衡量和无法衡量之间进行了权衡。通过从量子点散射微弱的激光，部分电磁场的噪声降低到了非常精确的低水平，低于真空波动的标准基线。这样做的代价是使电磁场的其他部分难以测量，这意味着可以根据海森堡的不确定性原理以及由此产生的量子力学定律创建一个低于零的噪声水平。 。

在图表上绘制可以测量电磁场波动的不确定性会形成一种形状，其中一部分的不确定性已减小，而另一部分则有所扩展。这将创建一个看起来很“挤压”的形状，因此就形成了“挤压”光的概念。

Atature补充说，这项研究的主要目的只是试图看到单光子的这种特性，因为以前从未见过这种特性。他说：“这就像想要更详细地研究冥王星或确定摆出夸克一样。”“这些东西现在都没有明显的应用，但是重点是要比我们以前了解更多。我们这样做是因为我们很好奇，想发现新事物。那就是科学的本质所在。”

出版物：卡斯腾·H·舒尔特（Carsten H. H. Schulte）等人，“正交性从两级系统中压缩了光子”，《自然》，2015年。 doi：10.1038 / nature14868