物理学家成功地证明了单个光粒子的挤压 2017-06-02 10:10:20

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来自剑桥激光光学中量子光学实验室的一项实验图像被用来激发称为量子点的单个微小的人工构造原子,以产生“压缩”的单光子

信用:Mete Atature使用人工构造的原子,称为半导体量子点,一个物理学家团队成功地证明了单个光粒子的挤压一个科学家团队成功地测量了被“挤压”的光的粒子,在一个实验中已经在物理教科书中被注销为不可能观察到压缩是一个奇怪的量子物理现象它创造了一种非常特殊的光“低噪声”,可用于拾取微弱信号的技术,例如引力波的检测

挤压光的标准方法包括激发强烈的激光光束在一种材料上,通常是非线性晶体,产生所需的效果超过30但是,关于另一种可能的技术存在一种理论

这涉及用少量光激发单个原子

该理论认为,被这个原子散射的光应该被挤压,不幸的是,虽然这种方法的数学基础 - 被称为共振荧光的挤压 - 是在1981年制定的,观察它的实验是如此困难,以至于一本成熟的量子物理教科书绝望地得出结论:“它似乎没有用来衡量它”所以它已经证明 - 直到现在在“自然”杂志上一个物理学家团队报告说,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)挤压单个光粒子或光子,这得益于该系统的增强光学特性和用于测量的技术他们能够观察散落的光线,并证明它确实被挤压了Mete A教授来自卡文迪什实验室,物理系和剑桥大学圣约翰学院的研究员领导了这项研究,他说:“这是理论家提出的一个基本问题的案例之一,但是经过多年的尝试,人们基本上认为不可能真实地看到 - 如果它在那里“”我们设法做到了,因为我们现在拥有的光学特性优于天然原子的人造原子这意味着我们能够达到观察光子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​​上这是一种非常奇怪的效果,它完全违背了我们对光子应该做什么的感官和期望“左图表示电磁根据经典物理定律,与光在最低可能水平相关的活动在右边,部分场地已减少到低于技术上的可能性,代价是使场的另一部分变得不那么可测量这种效应被称为“挤压”,因为它产生的形状信用:Mete Atature像许多量子物理学一样,挤压光的原理涉及一些心灵 - 令人难以置信的概念它首先是这样一个事实:只要有光粒子,就会产生相关的电磁波动这是科学家称之为“噪声”的一种静电

通常,光线越强,噪声越暗

但是奇怪的是,在非常精细的量子水平上,图像发生变化即使在没有光的情况下,电磁噪声仍然存在这些被称为真空波动而经典物理学告诉我们在没有光的情况下源于我们将在完美的黑暗中,量子力学告诉我们,总有一些这种环境波动“如果你看一个平坦的表面,它似乎是smoo但是我们知道,如果你真的放大到超精细水平,它可能根本不是完全平滑的,“Atature说”同样的事情正在发生真空波动一旦你进入量子世界,你开始得到这个精美的印刷它看起来有零光子存在,但实际上只有一点点而不是“重要的是,这些真空波动总是存在并为光场的噪声提供基本限制 即使激光,已知最完美的光源,也会带来这种波动的噪声

然而,当事情变得陌生时,因为在正确的量子条件下,噪声的基本极限可以进一步降低这个低于零度或者低于真空,状态是物理学家所说的压缩在剑桥实验中,研究人员通过将微弱的激光束照射到他们的人造原子上来实现这一点,量子点激发了量子点并导致了发射单个光子流虽然通常情况下,与此光子活动相关的噪声大于真空状态,但当点仅被弱激发时,与光场相关的噪声实际上下降,变得小于假定的真空波动基线解释为什么这个发生涉及一些高度复杂的量子物理学然而,它的核心是一个被称为海森堡不确定性原则的规则

这表明在任何情况下都是标准杆ticle有两个相关的属性,只有一个可以测量而另一个必须是不确定的在经典物理的正常世界中,这个规则不适用如果一个物体在移动,我们可以测量它的位置和动量,例如,理解它在哪里以及可能需要多长时间才能到达那里这对属性 - 位置和动量 - 是相互关联的在量子物理学的奇怪世界中,情况改变了海森堡的观点,即一对中只有一部分可以成为测量,另一个必须保持不确定性在剑桥实验中,研究人员利用该规则对他们有利,在可测量的东西与不能通过散射来自量子点的微弱激光之间创造权衡,部分噪声电磁场减小到极其精确和低水平,低于真空波动的标准基线这是以减少电磁场的其他部分为代价的可测量的,这意味着根据海森堡的不确定性原理,可以产生一个低于零的噪声水平,因此量子物理定律可以绘制出可以测量电磁场波动的不确定性

图形创建了一个形状,其中一个部分的不确定性已经减少,而另一个部分已经延长

这产生了一个看起来像一个被压扁的形状,因此术语“挤压”光Atature补充说,该研究的主要观点他只是试图看到单光子的这种特性,因为之前从未见过它“它只是想要更详细地看冥王星或确定那些五角星在那里,”他说,“这些都没有现在这是一个显而易见的应用,但关键是比我们之前所做的更多了解因为我们很好奇并想发现新事物这就是科学的本质所在“出版物:Carsten H H Schulte等人,”Quadrature从两级系统中挤出光子,“Nature,2015; doi:101038 / nature14868来源:剑桥大学圣约翰学院