麻省理工学院物理学家创造了一种新形式的光子互动

哈佛大学的科学家们，哈佛大学和其他地方现在已经证明了光子可以进行相互作用 - 这是可以打开在Quantum Computing中使用光子的路径的成就，如果不是在光靴中。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

尝试快速实验：将两个手电筒带到一个暗室里，闪耀着它们，使其光束十字架。注意任何特殊的？可能不是，相当反对的答案。这是因为融化的光子，构成光线不会相互作用。相反，他们只是通过夜间漠不关心的灵魂相互传递。

但是如果可以使光颗粒可以相互作用，吸引和在普通物质中的原子中相互吸引和排斥呢？一致化，尽管是SCI-FI的可能性：Light Sabers - 可以拉动和推动彼此的光束，制作令人眼花缭乱，史诗般的对抗。或者，在更可能的情况下，两个光束可以相遇并合并成一个透光的流。

它看起来可能需要弯曲物理规则，但事实上，MIT，哈佛大学的科学家现在已经表明，光子可以确实被互动 - 可以打开朝向使用光子路径的成就在量子计算中，如果不是在光剑中。

在今天发表的论文中，该团队由Vladan Levety，Mit莱斯特·沃尔夫物理学教授，以及来自哈佛大学的Mikhail Lukin教授，报告说它已经观察到三个光子相互作用，实际上有效粘在一起形成一个全新的光子物质。

在受控实验中，研究人员发现，当它们穿过较弱的超级铷原子云时，而不是将云作为单个，随机间隔的光子的云，相对或三胞胎结合在一起，表明某种互动 - 在这种情况下，吸引力 - 在他们中间进行。

在光子通常没有质量和每秒300,000公里（光速）的情况下，研究人员发现，相结合的光子实际上获得了电子质量的一小部分。这些新称重的光颗粒也相对缓慢，行驶约100,000倍慢于正常的非换体光子。

velety表示结果表明，光子可以确实可以吸引或彼此缠结。如果可以以其他方式进行交互，则可以利用光子以执行极快，非常快，令人难以置信的量子计算。

“几十年来，唯一的光子的相互作用是一个很长的梦想，”胆量说。

veletic的共同作者包括齐 - 梁梁，塞尔吉岛，哈佛大学，迈克尔·古朗和阿列克莱·戈尔斯赫科夫的麻省理工学院，迈克尔·戈兰和阿列克莱·戈尔·戈尔··戈尔··戈尔··戈尔··戈尔····彭普尔斯·普林普斯····彭普森，以及普林斯顿大学的历史，以及大学芝加哥。

较大，更大

逼硬和Lukin引导MIT-HARVARD中心用于Ultacally原子，它们一起寻找理论和实验的方式，鼓励光子之间的相互作用。2013年，作为团队观察到一对光子第一次相互作用和结合，创造了完全新的物质状态。

在新的工作中，研究人员想知道互动是否可能在两张照片之间发生，但更多。

“例如，您可以将氧分子组合以形成O2和O 3（臭氧），但不是O4，并且对于一些甚至一些分子，即使是三粒子分子也不能形成的一些分子，”胆量表示。“所以这是一个开放的问题：你能给分子添加更多的光子吗？“

要查明，团队使用了它们用于观察双光子相互作用的相同的实验方法。该过程始于将铷原子云冷却至超薄温度，仅为高于绝对零的程度。冷却原子会使它们变速为近静止。通过这种固定原子的云，研究人员然后闪耀着非常弱的激光束 - 因此，实际上，只有少量的光子在任何时候穿过云。

然后，研究人员测量光子，因为它们出来原子云的另一边。在新实验中，他们发现将光子流出成对和三态，而不是以随机间隔离开云，因为单个光子彼此无关。

除了跟踪光子的数量和速率之外，该团队还测量了通过原子云行驶之前和之后的光子的相位。光子的相位表示其振荡频率。

“阶段告诉你他们的互动有多强，阶段越大，它们束缚在一起的越强，”Venkatramani解释道。该团队观察到，随着三光子颗粒同时离开原子云，与光子根本没有相互作用的相互作用相比，它们的相移位，并且比双光子分子的相移大三倍。“这意味着这些光子不仅仅是他们中的每一个独立地相互作用，而是它们都在一起互动强烈。”

令人难忘的遭遇

然后，研究人员开发了一个假设，以解释可能导致光子首先互动的情况。他们的模型基于物理原则，提出了以下情景：当一个光子通过铷原子云移动时，它在跳到另一个原子之前短暂地落在附近的原子上，如花朵之间的蜜蜂，直到它到达另一端。

如果另一个光子同时穿过云，则它也可以花一些时间在铷原子上，形成极性阳孔 - 一种是部分光子，部分原子的杂种。然后两种极性膜可以通过原子组分彼此相互作用。在云的边缘，原子仍然在它们的位置，而光子出口仍然在一起。研究人员发现，三个光子可以发生这种相同的现象，形成比两光子之间的相互作用更强的结合。

“有趣的是这些三胞胎完全形成，”胆怯说。“与光子对相比，它也不知道它们是否同样，更少或更强烈的束缚。”

原子云内的整个互动发生在百万分之一的一百万。并且这种相互作用触发了光子以保持在一起的束缚，即使在他们离开云之后也是如此。

“关于这一点的整洁是，当光子穿过媒介时，在媒介中发生的任何事情，他们会在他们出去时'记住'，”Cantu说。

这意味着已经彼此相互作用的光子，在这种情况下，通过它们之间的吸引力，可以被认为是强烈相关的或纠缠的 - 任何量子计算位的关键特性。

“光子可以在长距离长途行进，人们一直在使用光来传输信息，例如在光纤中，”胆量表示。“如果光子可以彼此影响，那么如果您可以纠缠这些光子，我们已经完成了，您可以使用它们以有趣和有用的方式分发量子信息。”

展望未来，团队将寻找胁迫的方法，如排斥等其他相互作用，其中光子可以像台球一样彼此分散。

“这是一个完全小说的意义上，我们甚至不知道有时会定性地想要的预期，”胆怯说。“随着光子的排斥，它们可以使它们形成常规图案，就像光的晶体一样？还是会发生别的事情？这是一个非常不明的领土。“

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。

出版物：齐宇梁等人，“观察量子非线性媒质中的三光子约束状态，2018年2月16日：卷。 359，第6377页，第783-786页; DOI：10.1126 / science.aao7293.