深夜開車，您遇到紅燈並停下車。您疲憊地抬起手，擋住穿過擋風玻璃的紅光。突然，綠燈和黃燈同時亮起，同時照射到您的眼球。您感到困惑，移開手，又只看到紅色。
最近柏林的研究人員透過實驗表明，如果交通訊號燈是一個被雷射束照射的單原子，就會發生這種超現實的場景。他們觀察了原子散射的光，發現光子——最小的光粒子——一次一個地到達探測器。科學家們擋住了他們看到的最亮顏色，突然，成對的、兩種略微不同顏色的光子開始同時到達他們的探測器。他們在 7 月份的《自然·光子學》雜誌上報告了他們的發現。
這種違反直覺的效應的原因是，單個原子是熟練的多工處理者。透過不同的基本過程，它們可以同時散射多種顏色，就像危險的交通訊號燈一次發出所有三種顏色一樣。然而，由於這些過程之間的量子干涉，觀察者一次只能看到交通訊號燈的一種顏色，從而維護了道路上的秩序。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
這項實驗也為新型量子資訊應用鋪平了道路。當最亮的顏色被阻擋時，同時彈出的光子會相互糾纏，即使它們在很遠的距離上分離，其行為也保持同步。這為量子通訊和資訊處理提供了一種新工具，其中糾纏光子對可以用作量子密碼術中的分散式金鑰，或將資訊儲存在量子儲存裝置中。
多工處理——理論上
原子對其與光的耦合可能出人意料地挑剔。根據其組成電子的不同排列方式，不同元素的原子都表現出對其強烈散射的光顏色的明顯偏好。證明這一點就像用雷射照射原子一樣簡單，雷射調諧到與該原子散射偏好密切匹配的特定顏色。正如預期的那樣，您的探測器將顯示原子散射該主要顏色的光子。但奇怪的是，散射的光子會一次一個地流入探測器，就像排成單行一樣。直到 20 世紀 80 年代初，物理學家普遍接受對這種奇怪效應的一種幼稚的解釋：光子似乎排隊到達，因為原子一次只能散射一個光子。
然而，在 1984 年，兩位研究人員深入研究了控制這種現象的數學，發現現實遠比這複雜得多，而且本質上更具量子性。他們推論，原子實際上同時在做很多事情：不僅散射單個光子，而且還透過完全不同的過程散射光子對、三光子和四光子。然而，由於這些過程之間的量子干涉，一次只有一個光子到達探測器。
規則干涉發生在兩個波之間，例如池塘上的漣漪，在波峰和波谷的模式中重疊。量子世界的一個顯著特徵是，干涉不僅發生在實際波之間，而且還發生在機率之間：透過兩條狹縫傳送的光子有一定的機率穿過左狹縫，也有一定的機率穿過右狹縫。兩條可能的路徑相互干涉，形成波峰和波谷的模式。擋住任一條狹縫，模式就會消失。“我喜歡告訴我的學生，‘想象一下，你想阻止竊賊進入你的房子並進入客廳。只需開啟兩扇門，然後你就會發生相消干涉，小偷就無法進入客廳，’”物理學家讓·達利巴德開玩笑說，他是 1984 年論文的合著者。
然而，在達利巴德的模型中，這種干涉絕非玩笑。它實際上發生在單光子和多光子散射這兩個基本過程之間。它不是發生在空間中，而是發生在時間中，以至於對於兩個光子同時到達出現機率谷。因此，原子執行多工，但它的執行方式看起來可疑地像只做一件事。
被當場抓住
達利巴德對多工原子的複雜描述在相對默默無聞的狀態中沉寂了很長時間，直到最近。“我很高興柏林的研究小組找到了這篇論文。我不知道他們是怎麼做到的，”他說。從柏林研究人員的角度來看，他們對達利巴德及其合著者、物理學家塞爾日·雷諾引入的反直覺理論著迷。“當我們開始深入研究 20 世紀 80 年代的舊文獻時，我們真的很感興趣，”洪堡大學柏林分校的前博士後研究員、最近這項工作的合著者馬克斯·謝默說。
謝默和他的同事看到了最近開發的技術在實驗上檢驗這一理論的潛力。首先，他們將一團銣原子冷卻到略高於絕對零度。然後，他們使用光鑷——一種聚焦足夠緊密的雷射束，可以抓住非常微小的物體——來隔離和保持一個原子。接下來，他們用另一束調諧到銣散射偏好的雷射照射該原子，並將一個透鏡放置在一側，以收集散射的光並將其匯入光纖。
為了阻擋最亮的顏色，研究人員將光引導到一個由光纖環製成的微調濾波器中。環的長度經過精確選擇和調整，僅對一種顏色的光產生相消干涉。當光路中包含此濾波器時，他們看到最亮的顏色消失了。正如達利巴德和雷諾所預測的那樣，兩種略微不同顏色的光子突然開始成對同時到達探測器。
透過阻擋最亮的顏色，從而使原子的單光子生成過程離線，謝默和他的同事能夠看到另一個過程在起作用，而沒有主要原子產生的相消干涉——很像交通訊號燈在紅色被阻擋時同時發出綠色和黃色。
切實的希望
原子以成對形式散射光子的“第二項任務”可能在量子計算和通訊中派上用場。一旦最亮的顏色被阻擋，同時到達的光子對就會相互糾纏——糾纏是使量子方法優於經典方法的並非秘密的要素。
糾纏光子對可用於在廣闊的距離上共享量子資訊，或在不同介質之間傳輸量子資訊。方便的是，使用這種技術產生的光子對具有非常精確的顏色，而不是像傳統方法產生的光子對那樣分散在更大的彩虹塊中。謝默說，這使得它們特別適用於在量子儲存裝置中高效儲存量子資訊，這反過來又可能導致更強大的量子通訊網路。
此外，這些光子對還具有其他來源無法提供的獨特型別的糾纏：時間同步。“有一種現有的產生糾纏光子對的技術，”量子光學專家瑪格達萊娜·斯托賓斯卡說，她沒有參與這項工作。“但這是一種不同的自由度，因此可以用於不同型別的應用。因此，它拓寬了高效產生糾纏光子對的範圍。我認為這很酷。”
理論預測，光子對並不是故事的結局。原子還在同時散射三個、四個等等的糾纏光子。阻擋這個“交通訊號燈”上的紅色不僅使黃色和綠色透射出來，而且還使藍色、橙色以及更多顏色透射出來。以這種方式建立的糾纏光子簇可能用作基於光子的量子計算的資源。“這個系統就像一個量子關聯的寶庫，”英格蘭伍爾弗漢普頓大學光與物質相互作用教授法布里斯·P·勞西說，他審查了最近的研究，但沒有參與研究。“一切都在那裡。”