如何捕捉单个光子，甚至定位、操纵、存储一个光子？

量子光学在微观水平上研究光和物质的相互作用，它已经获得了诺贝尔奖，其中包括2001年以来的三个奖项，授予了一些科学界最著名的人。然而，即使在这个成熟的领域，一些有趣的物理学仍然很大程度上没有得到探索。来自奥地利维也纳工业大学、杜克大学、帕勒莫大学和意大利CNR纳米科学研究所的一个国际科学家团队，以及美国能源部的布鲁克海文国家实验室，公布了一种新的光子捕获方法。

这种方法可以定位和存储一个光子，为解开复杂的物理现象和操纵单个光子的量子态提供了另一种选择，研究成果最近发表在《物理评论快报》上。方耀龙(Leo)是布鲁克海文计算科学计划量子计算小组的助理计算科学家，也是这篇论文的作者之一。然而，束缚态通常与连续能谱是分离的，在系统的连续外。这使得连续体(BIC)中的束缚态成为一种有趣而又难以研究的物理现象。事实上，方耀龙指出连续体(BIC)是一个活跃在许多科学和工程领域的研究课题。

在某些原子波导装置中(一个一维光通道与原子强耦合的试验台)，可以存在光和物质的集体激发构成连续体(BIC)。有了这些知识，研究人员开发出了一种新方法来激发连续体(BIC)，这在以前被认为只有通过自发光子发射才能实现。不像传统的方法需要控制光在介质中传播，这提供了一种新的方法来捕获单个光子而不减慢光的速度。方耀龙说：当弗朗西斯科(论文合著者)第一次提出让连续体(BIC)激发想法时，我有点怀疑。但是，当我们坐下来仔细分析之后，发现他是对的，真的有用！

激发耦合到一维波导上的两个遥远量子位元之间的BIC：当量子位元被多个半共振波长分开时，一个系统允许BIC存在的示意图。图片：Brookhaven National Laboratory

研究小组在两个试验台中考虑了连续体，包括一个连接到一对遥远原子的开放波导。激发连续体还需要两个重要的因素：一个多光子波包和一个相当长的时间延迟。发现，通过适当地设计时间延迟和波参数，可以发射两个光子，捕获一个光子的概率超过80%。通过改进参数，在理论上，一个完美的捕获是可能的。该结果为研究非线性系统中的量子动力学提供了一个可选的例子。反过来，这可以为涉及量子多体物理的广泛研究领域提供信息，在这些领域中，系统由许多量子力学相互作用的粒子组成。

必须有有限的时间延迟来最大化陷阱，这种方法的价值在于，它可以使量子存储、网络和计算受益。例如，量子计算机需要存储光子，并在需要时检索它。因为光子以光速运动，不能停止，所以需要减慢它们的速度，这样它们才能被储存起来。现在有了一种新的、可验证机制来存储光子。该团队的光子散射工作也有所不同，因为它受非马氏动力学的影响，这可能很难解决，因为在一个系统中，先前的状态如何影响随后的状态。从微波和激光等全光系统、原子、分子和光学物理到光学力学，人们对非马氏物理学普遍感兴趣，一个典型的特征就是偏离了纯粹的指数衰减。

研究具有时滞的多体效应存在很大技术困难，在具有延迟效应的非马尔可夫动力学中，研究提出了一个具有类似物理性质的模型系统，该模型系统可以通过数值求解来让物理学家推断和检验这些系统中发生了什么。最终利用连续体（BIC）的潜力很大，例如为量子计算机创建一个双量子位纠缠门，甚至设想通过量子网络进行远距离通信。通过激发连续体，可以在量子网络中两个遥远的节点之间产生有限的纠缠。有很多方法可以为其他工作和新兴科学领域提供有效的方案。

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