新的量子效应：限制了发射光子的数量

　　在激光脉冲中找到一定数量的光子的概率通常对应于经典分布的独立事件，即所谓的泊松分布。然而，还存在着具有非经典光子数分布的光源，其只能由量子力学的规律来描述。一个著名的例子是单光子源，其有可能在密钥分配的量子加密或者在量子网络中连接量子存储和处理器上找到用武之地。

       然而，对于许多非线性量子光学的应用来说，常常需要数量一定的光脉冲，例如两个，三个或四个。一组来自马克斯普朗克量子光学研究所 (位于慕尼黑附近的加兴市）Gerhard Rempe教授的量子动力学部门的科学家们已经在这个方向成功地迈出了第一步。通过使用强耦合原子-空腔系统，他们第一个观察到了所谓的双光子阻塞：该系统最多只能同时发射两个光子，因为它的存储容量被限制在了这个数量上（PRL，3/31/2017）。

　　产生单光子流的一个天真的方法是充分衰减激光束的强度。但在这种情况下，光子的数目仍然随着每个脉冲有所不同，只有当平均许多个脉冲的时候我们才能观察到平均光子数为一个。而实际应用需要固定而精确的每个脉冲一个光子。

       利用单原子作为单光子源可以大大降低每个脉冲的光子数的波动。当原子被激光束照射时，一次只能吸收一个光子，从而产生一次由基态到激发态的转变。第二个光子只有在原子回落到基态并发出一个光子之后才能被吸收。因此，在发射的光场中一次只能检测到不多于一个的光子，这一效应被称为“单光子阻塞”。

　　为了将这一原理推广到“双光子阻塞”，人们必须在单原子之外寻找一个能储存大于一个而又不多于两个光子的系统。为此，马克斯普朗克量子光学研究所的物理学家将单原子与提供额外储存能力的空腔结合起来。一个空腔可以吸收无限数量的光子，并相应地显示出大量彼此距离相等的能态——类似于一个“梯子”。将单个原子插入腔中引入了一个非线性元素。这会导致对于“梯子”的每一级来说，能级都会分裂出一个不同的量。

       从而，激光可以将系统只激发到它被调谐到的位置。因此，可以存储的光子数目被限制在了一定的数量，由此，不可能发射比这个数目更多的光子。

　　在实验中，物理学家将一个铷原子放在由两个高精细镜面制成的空腔内的一个光学陷阱里。入射激光束的频率被调谐到需要吸收两个光子来对其进行激发的能量水平。在原子储存的这五秒时间内，进行了约5000次测量周期，在此期间，该系统由探针激光进行照射，而从腔内发射出来的光子通过单光子探测器进行了记录。“有趣的是，发射光子数的波动在很大程度上取决于我们是激发光腔还是原子，”项目负责人Tatjana Wilk博士指出。“双光子吸收抑制进一步的吸收并导致发射两个或两个以下光子的效应，只有在原子激发的情况下才会实现。当我们激发光腔的时候这种量子效应不会出现。在这种情况下，我们观察到每个脉冲三个和更多光子的增强信号。”

　　执行该实验的博士生Christoph Hamsen解释了相关的过程：“当原子被激发的时候，我们处理的是两个相互矛盾的机制之间的相互作用。一方面，原子一次只能吸收一个光子。另一方面，强耦合的原子-空腔系统与双光子跃迁发生共振。这种相互作用会导致一系列具有非经典光子分布的光脉冲。”另一名博士生Nicolas Tolazzi补充说：“我们能够在检测到的光子之间的相关性上观察到这种行为，因为在检测到的光子中我们发现三光子的一致性相比于经典情况下的期望值受到了明显的抑制。”

　　Gerhard Rempe教授对该实验可能的扩展进行了展望：“目前，我们的系统发射的是最多只有两个光子的光脉冲，但是它其实还能发射更少光子的脉冲，例如一个，甚至零个。它的行为就像一种“低通”滤波器一样。然而，量子通信和量子信息处理的许多应用需要精确的两个，三个或四个光子。我们的最终目标是每个光脉冲包含完全相同的所需光子数的纯态的产生。在我们的实验中展示的双光子阻塞是在这个方向上迈出的第一步。”Olivia Meyer Streng