开创性的量子光操控技术在医学成像与量子计算中展现巨大潜力

澳大利亚和瑞士的科学家们首次成功识别并操控相互作用的光子（即光的粒子），这一突破被认为将推动量子技术的发展，包括医学成像和量子计算的进步

光子也可被视为光能的最小单位，即“光量子”。早在一个多世纪前，物理学家在探索量子力学的奇异世界时，就发现了“波粒二象性”——光子、电子等亚原子粒子既表现出粒子特性，又具有波动性质。

1916年，爱因斯坦提出（并于1917年发表）可以通过给原子提供能量，激发其中的电子来使原子发射光子。这种光子受激发射机制，如今已在激光器中得到广泛应用（LASER即“受激辐射下的光放大”）。不过，最新研究展示了单光子的受激发射。

澳大利亚悉尼大学与瑞士巴塞尔大学的科学家合作，首次观察到单光子层面的受激发射。他们通过量子点（一种纳米级人工原子）直接测量到单个光子与两个光子散射时的时间差。量子点可以将一种波长的光转换为另一种波长的光。

悉尼大学的萨汉德·马哈茂迪安博士称：这为他们操控所谓的‘量子光’打开了大门，这项基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算铺平了道路。

长期以来，光的研究不仅是人类想象的源泉，也奠定了现代技术的基础，包括手机、全球通信网络、计算机、GPS以及医学成像。

然而，当科学家们希望让光子彼此发生相互作用时，情况变得复杂。例如，干涉仪——一种通过合并光源形成干涉图样的常见测量工具——如今已广泛用于医学成像以及诸如LIGO（2015年首次探测到引力波）这样的前沿实验。但受限于量子效应，干涉仪难以区分其中的光子。

研究人员设计的装置让光子之间发生了极强的相互作用，从而能够区分单光子与双光子在其中的表现差异，他们观察到一个光子的延迟时间比两个光子更长。而两个光子则通过强相互作用纠缠在一起，形成所谓的双光子束缚态。

与使用经典激光光的干涉仪相比，这类“量子光”装置有望实现更高的分辨率和灵敏度。研究人员表示，这在医学成像等领域将非常有用。未来的进一步研究目标是操控量子光，打造具备容错性的量子计算机。

这项实验不仅在验证基本效应——受激发射——的极限上极具意义，更代表着迈向先进应用的重要一步。我们可以应用同样的原理来开发更高效的光子器件，生成光子束缚态。这对于从生物学到先进制造业乃至量子信息处理的广泛领域都极具前景。