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科学家首次让光子与原子对相互作用

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资料来源:Ella Maru工作室

EPFL的物理学家们首次发现了一种让光子与原子对相互作用的方法。这一突破对于引领量子技术发展的腔量子电动力学(QED)领域具有重要意义。

毫无疑问，我们正在稳步走向一个基于量子物理学的技术时代。但要做到这一点，我们首先必须掌握使光与物质相互作用的能力——或者更严格地说，使光子与原子相互作用。

这在一定程度上已经实现，为我们提供了腔量子电动力学(QED)的前沿领域，它已经应用于量子网络和量子信息处理。尽管如此，还有很长的路要走。目前，光与物质的相互作用仅限于单个原子，这限制了我们在涉及量子技术的复杂系统中研究它们的能力。

在《自然》杂志上发表的一篇论文中，EPFL基础科学学院的Jean-Philippe Brantut小组的研究人员发现了一种方法，可以让光子在超低温下与原子对“混合”。

研究人员使用了所谓的费米气体，这是一种由原子组成的物质状态，类似于材料中的电子。布兰特解释说:“在没有光子的情况下，气体可以在一种原子之间相互作用非常强烈的状态下制备，形成松散束缚的对。”“当光被发送到气体中，其中一些对可以通过光子吸收变成化学结合的分子。”

这种新效应的一个关键概念是，它是“相干”发生的，这意味着光子可以被吸收，将一对原子变成一个分子，然后发射回来，然后多次被重新吸收。“这意味着对光子系统形成了一种新型的‘粒子’——技术上来说是一种激发——我们称之为‘对极化子’，”Brantut说。“这在我们的系统中成为可能，光子被限制在一个‘光学腔’中——一个封闭的盒子，迫使它们与原子强烈相互作用。”

混合极化对具有光子的一些特性，这意味着它们可以用光学方法测量。它们还具有费米气体的一些特性，比如在光子进入之前，费米气体的原子对数量。

“气体的一些非常复杂的性质转化为光学性质，可以直接测量，甚至不扰动系统，”Brantut说。“未来的应用将在量子化学中，因为我们证明了一些化学反应可以用单个光子相干产生。”