瑞士科學(xué)家用單光子成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單分子間通訊

        據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2月28日?qǐng)?bào)道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和德國(guó)馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家用單個(gè)光子激發(fā)單個(gè)分子，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)單分子間的信號(hào)傳送。在實(shí)驗(yàn)中，可讓單個(gè)分子模擬光頻，將單光子流傳遞給相距數(shù)米的另一個(gè)分
子，如同兩個(gè)站點(diǎn)之間的無(wú)線電通訊。這為開(kāi)展以單光子作為量子信息載體，由單個(gè)發(fā)射器進(jìn)行信息處理的進(jìn)一步研究鋪平了道路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

　　過(guò)去20年，科學(xué)家已證明能探測(cè)到單個(gè)分子，也能生成單光子。然而，單個(gè)分子發(fā)現(xiàn)并吸收單光子的幾率很低，由光子激發(fā)分子仍難以捉摸，因而通常需要每秒釋放數(shù)十億光子來(lái)轟擊分子，才能從中獲得一個(gè)信號(hào)。規(guī)避這一物理學(xué)難題的一般方式是，在原子周?chē)鷺?gòu)建一個(gè)腔洞，使光子能夠長(zhǎng)久囚禁其中，以保持兩者良好的互動(dòng)幾率。

　　而此次實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)之一，就是獲取具有適當(dāng)頻率和帶寬的單光子來(lái)源?？蒲行〗M利用了一個(gè)事實(shí)：當(dāng)一個(gè)原子或分子吸收單光子時(shí)，它將過(guò)渡到激發(fā)態(tài)。在幾納秒后，激發(fā)態(tài)將衰變?yōu)樽畛醯幕鶓B(tài)，并放射出單個(gè)光子。

　　在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將兩個(gè)嵌入有機(jī)晶體之中的熒光分子樣本冷卻至零下272攝氏度。每個(gè)樣本中的單個(gè)分子都能由光譜選擇結(jié)合空間。為了生成單光子，單個(gè)分子將從“源頭”樣本中激發(fā)而出。當(dāng)分子的激發(fā)態(tài)衰變時(shí)，放射出的光子將緊緊聚集于距離幾米之外的另一個(gè)“目標(biāo)”樣本之上。為了保證樣本中的單個(gè)分子能夠“看到”入射的光子，研究小組必須保證它們處于同一頻率。此外，珍貴的單光子也需要與單個(gè)目標(biāo)分子進(jìn)行有效地互動(dòng)。

　　科學(xué)家表示，這是兩個(gè)量子光學(xué)天線之間長(zhǎng)距離通訊的首個(gè)例子。單個(gè)分子一般大小為1納米，而聚集的光束卻不能小于數(shù)百納米。這通常意味著大多數(shù)的入射光都會(huì)環(huán)繞分子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而無(wú)需“看見(jiàn)”對(duì)方。然而，如果入射光子與分子的量子力學(xué)過(guò)渡產(chǎn)生共鳴，在這個(gè)過(guò)程中，分子可像天線一般發(fā)揮作用，抓住其附近的光波。