纠缠增强的单光子检测

作为“量子摆”，离子会同时在两个方向上摆动。插图：IQOQI /纳布

在一项最新发表的研究中，因斯布鲁克大学的物理学家详细介绍了一种技术，该技术可利用纠缠态放大离子在散射光子时收到的微小动量，从而以高灵敏度检测单个光子在宽光学跃迁上的散射。

由克里斯蒂安·鲁斯（Christian Roos）和科尼利厄斯·海佩尔（Cornelius Hempel）领导的因斯布鲁克量子物理学家团队已经实现了一种极其灵敏的原子和分子原子光谱法。此技术可用于仔细研究许多粒子。科学家已经在《自然光子学》杂志上发表了他们的发现。

大约200年前，巴伐利亚物理学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）在太阳光谱中发现了黑线。后来发现，这些光谱线可用于推断太阳大气的化学成分和温度。今天，我们能够以类似的方式通过光测量获得有关永久物体的信息。由于通常仅需要检测很少的光，因此物理学家正在寻找更加灵敏的光谱学方法。在极端情况下，还需要可靠地测量光（光子）的单个粒子，这在技术上具有挑战性。

因此，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）和因斯布鲁克大学实验物理研究所的物理学家通过量子逻辑光谱技术绕道而行。它是由诺贝尔奖获得者戴维·怀兰德（David Wineland）几年前开发的，用于制造极其精确的原子钟。这是量子信息处理的最早的实际应用之一，并且在接下来的几年中，可能会导致重新定义国际单位制中的第二个应用。

纠缠测量

位于因斯布鲁克的Christian Roos和Cornelius Hempel的物理学家小组在离子阱中分离出单个离子，以便在受控条件下对其进行研究。“我们不试图检测被离子发射或吸收的光子，而是检测离子被吸收或发射时产生的动量踢，” Cornelius Hempel解释说。“尽管这种影响非常小，但我们可以通过量子物理学检测到它。”物理学家使用一个额外的“逻辑”离子，对其进行测量。Hempel说：“在实验中可以很好地控制钙离子（40Ca +）。”作为光谱离子，研究人员使用了钙的另一种同位素（44Ca +）。

在实验中，激光脉冲激发粒子，并使逻辑离子的电子态与粒子的振动纠缠在一起。“在这种配置下，也称为薛定ding猫状态，离子像陷阱中的经典钟摆一样摆动。但作为“量子摆”，它们同时在两个方向上摆动。“然后，我们通过应用不同的激光频率来激发我们想要研究的离子。在特定频率下，离子发射单个光子并接收最小的动量反冲，这会导致振动分量发生轻微位移。这可以通过逻辑离子的电子状态观察到。结合这些信息，激光的频率便可以使我们获得有关光谱离子内部状态的信息。”在当前的实验中，科学家检测到单个光子的概率为12％。“因此，我们证明了该技术的原理。通过技术上优化的设置，我们将能够大大提高灵敏度。” Roos和Hempel自信地说。

通用应用

“通过使用量子力学纠缠的奇异概念，我们可以获得有关单个粒子的实践知识，”克里斯蒂安·鲁斯兴奋地说道。Cornelius Hempel补充说：“由于我们的测量方法与所检测到的光子的波长无关，因此可以用于各种目的。”例如，可以使用此技术研究不同原子和分子的能级。由于在实验中难以控制分子，因此该方法是研究更复杂结构的巨大进步。

这项研究是在欧盟的支持下，在奥地利科学院的量子光学和量子信息研究所以及因斯布鲁克大学的实验物理研究所进行的。

出版物：C. Hempel等人，“单光子散射事件的纠缠增强检测”，《自然光子学》（2013年）； doi：10.1038 / nphoton.2013.172

图像：IQOQI /纳布