跳到主要内容

话题

量子力学

量子力学

量子阳光实验可以揭示恒星的天体物理学

15 May 2019
阳光
量子星:在中国的一项新实验中,来自太阳的光子显示了其量子面。 (礼貌:iStock / ELyrae)

中国物理学家声称,第一个明确的证据证明热源的光具有量子力学作用。他们的演示涉及干扰来自一个遥远热源(太阳)的单光子和来自地球上半导体量子点的光子。他们说,他们的工作可以帮助实现隐形传送,密码学和其他量子技术,并为恒星天体物理学提供新的见解。

尽管可以从经典电磁场的角度理解光的许多属性,但其他属性则需要基于离散光子的量子力学描述。其中有两个不可区分的单光子的行为,它们在分光比为50:50时会合。每个光子都很可能会从设备中反射出来,因此原则上有四个可能的结果–其中两个涉及光子通过同一输出端口离开,而另外两个涉及单独的出口。

传统上,光子的行为是完全随机的,因此预计粒子会在50%的时间在一起。但是,美国罗切斯特大学的物理学家在1987年表明,事实并非如此。 Chung Ki Hong,Zhe Yu Ou和Leonard Mandel发现,如果能够完全区分,这些粒子总是成对地一起离开实验。使用玻色子的统计数据可以解释这种干扰,可以描述为产生完整的“可见性”,换句话说,位于分束器后面的两个检测器永远不会同时记录信号。

量子阳光

在这最新的作品中, 卢朝阳, 潘建伟 中国科学技术大学的同事及其研究人员表明,即使其中一个光子来自太阳-距离地球1.5亿公里的热光源,也发生这种量子力学行为。为此,研究人员使用电动支架跟踪了太阳并将其收集的光沿着50米长的光缆引导到他们的实验室。在那里,它们从一个量子点干扰了太阳光子,实际上是一个由半导体制成的人工单原子,该原子被冷却到比绝对零高几度。

Lu解释说,来自量子点的光子基本上已经为实验准备好了,本质上是单一的并且也是相同的-包括具有完全相同的能量,定时信息和极化。相反,太阳光是“肮脏的”,具有非常广泛和复杂的光谱,只有在穿过地球大气层之后才会变得更加复杂。为了准备这些光子,研究人员在光谱,时间和空间上对它们进行了过滤,并对它们进行了极化。

两组光子之间的干涉然后产生0.796的可见度。这远大于经典的最大值0.5,研究人员说,这是量子行为的明确标志。卢解释说,可见度小于理想值的一个,主要是因为热光的“多光子贡献”。该小组还测量了清晰的纠缠特征和违反贝尔不平等现象的特征,因此排除了当地的现实主义。

“高度非经典”

研究人员指出,以前已经证明,来自独立光源的光子会机械地干扰量子,但是这些光源(例如单个原子或捕获的离子)是人造的。他们认为,与此同时,较早的使用热光进行干涉的论证要么“在经典相干理论的框架内”可以解释,要么产生了约0.5的可见性。他们说:“我们的结果是[a]热光–仅需要经典的光学器件进行描述–首次参与了高度非经典的量子光学实验。” 在预印本中写 最近上传到 arXiv 服务器。

卢说,该团队的工作可以通过允许独立的光子源彼此交互来为构建大规模混合量子信息网络做出贡献。他说,这样一种可能有益的应用是量子隐形传态。这涉及到在没有物理粒子运动的情况下长距离传输量子态。隐形传态要求发送者将纠缠的一组光子的另一半干扰另一组光子-承载要传输状态的光子。

实际上,研究人员目前正在建立一个新实验,该实验将使用来自量子点的纠缠光子来传送太阳光子的量子态。卢说,此外,可以通过使用直径为几米的望远镜来收集来自遥远恒星的微弱的光(并将其与更好的单光子源相结合)来将实验扩展到更大的规模。这可以提供有关恒星过程的信息,例如磁场的突然变化以及对太空天气的更好理解。

对于 罗纳德·汉森是荷兰代尔夫特理工大学的量子物理学家,他的最新工作很有趣,因为它对现有理论进行了新颖的确认,而不是对量子技术的影响。他说:“这非常吸引人,因为它在量子实验中使用太阳作为光源!”

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者