纳米科学和纳米技术中心的物理学家第一次证明：光的直接产生是同时存在一个光子、两个光子和没有光子的状态。研究指出，使用了几十年的同一种光发射器也能产生这些量子态，并期望这对任何一种原子系统都适用。量子叠加是量子物理的一种性质，它能让粒子以不同的状态同时存在，著名的理论例子是薛定谔的猫，它既是死的又活是的。
让我们想象一只老鼠试图找到迷宫的出口，在经典领域，它会尝试每一条路径，一次一个，直到最终找到出口。然而，在量子世界中，叠加态能让老鼠同时尝试所有不同的路径，因此更快地找到出口。
对于光，叠加态已经在它的几个性质中被显示出来。例如，在偏振中，单个光子的电磁场在垂直和水平方向上振荡，或者在一条路径上振荡，在干涉仪中获得所有可能的轨迹，就像光子迷宫一样。在时间上叠加也是可能的，光子在早期和后期同时存在。
然而，创造同时只有一个光子，两个光子，或者根本没有光子的光，换句话说，“光子数”的量子叠加，仍然难以捉摸。一些复杂的实验已经多次实现了这些叠加态，但从来没有按需实现过，这意味着每次实验都取得了成功。目前还不知道这些状态的直接发射器是否存在。在《自然光子学》期刊上发表的一篇研究论文中，来自CNRS和合作者的研究人员首次证明了光子数量子叠加中按需产生的光。科学家研究了人工原子的发射，这是一个插入光学微腔的半导体量子点。
该研究的主要作者胡安·洛雷多和卡洛斯·安东指出：通过用光脉冲对量子点进行相干激发，发现原子态的量子相干是通过自发发射过程保存下来的，并被印在发射的光子态上，产生了0、1和2个光子的量子叠加。这种从未在任何原子系统中见过的观察结果表明，像量子点这样的人工原子现在被控制到这样一个程度，即它们的行为与教科书中描述的系统相同。这些基于光子数相干叠加的光量子态为设计和实现量子通信、量子计算中的新方案开辟了令人兴奋的途径。
博科园｜研究/来自：纳米科学和纳米技术中心
参考期刊《自然光子学》
DOI: 10.1038/s41566-019-0506-3
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