一種新形式的光

試想一下，在一間黑暗的房間內，你打開兩個手電筒，讓它們發出的光束相互交叉。會觀察到什麼奇特的現象嗎？答案是：並不會。這是因為構成這兩束光的光子之間通常不會相互作用，只會彼此擦身而過。

但有沒有可能通過某種方法，讓光子像普通物質中的原子那樣產生互相吸引或排斥的相互作用呢？事實上，在一篇剛發表在《科學》雜誌的論文中[1]，由麻省理工的物理學教授Vladan Vuletic 和哈佛大學的 Mikhail Lukin 教授領導的研究小組證明，光子確實可以相互作用！他們觀察到光子會粘在一起形成一種全新的光子物質。這意味著兩束光在相遇時會合併成一束明亮的光。這一發現為光子在量子計算機中的應用開闢了一條新的道路！

越來越大

過去，Vuletic 和 Lukin一直在尋找能促使光子相互作用的理論和實驗方法。2013年，多年的努力終於得到回報——他們的團隊首次觀察到一對光子相互作用並結合在一起的現象，從而產生了一種全新的物質狀態。

我們都知道氧原子可以結合形成O?和O?（臭氧），卻不能形成O?；對有些原子來說，甚至無法形成三粒子分子。因此Vuletic和Lukin想知道光子間的相互作用是否可以發生在超過兩個光子之間。這也是這項研究的目標。

為了弄清楚這個問題，他們用了與觀察雙光子間相互作用相同的實驗方法。第一步就是將銣原子云冷卻至僅比絕對零度高百萬分之一的超低溫度，這樣能使原子減速到幾乎停滯。然後研究人員將一束非常微弱的激光打向這團「靜止」的原子云，這一激光束微弱到讓每次穿過原子云的光子數量都非常有限。

實驗裝置。|圖片來源：Science

之後，研究人員再對從原子云的另一邊出來的光子進行測量，發現了光子能以成對和成三聯體的形式流出，而不是像單個光子間彼此毫無關係那樣，以隨機的間隔離開原子云。這說明有某種作用——即吸引力——在它們之間產生了。

在通常情況下，光子是沒有質量、且以30萬公里每秒的速度（即光速）傳播的；但是被束縛在一起的光子實際上會獲得一小部分的電子質量，使它們的速度相對較慢，比普通非相互作用的光子的傳播速度慢大約10萬倍。

除此之外，為了追蹤光子的數量和速率，研究人員還測量了光子通過原子云前後的相位。光子的相位表明它的振蕩頻率，我們可以從中得知它們相互作用的強烈程度。相位越大，它們之間的束縛就越強。研究小組觀察到，當三光子粒子同時離開原子云時，光子的相位發生了偏移，並且是雙光子情況下相位偏移的三倍。這意味著這些光子並非只在各自獨立的相互作用，而是一同發生了強烈地相互作用。

難忘的相遇

之後，在基於物理原理的基礎上，研究人員用一個假設來解釋可能導致光子最初相互作用的原因。在假設模型中他們提出了這樣的情景：當單光子穿過銣原子云時，會短暫地落在它附近的原子上，再「跳」到另一個原子上，這就如同花叢中飛舞的蜜蜂，在不同的花朵間跳躍，直到抵達花叢的另一端。

如果另一光子也同時穿過原子云，那麼它也可以在某個銣原子上停留一些時間，形成一個電磁極化子（polariton）——一個部分是光子、部分是原子的混合體。這樣兩個電磁極化子就可以通過它們的原子部分相互作用。在原子云的邊緣，原子所處的位置保持不變，而離開的光子則仍然結合在一起。相同的現象發生在三個相連的光子身上時，形成的束縛比雙光子之間還要更強。

Vuletic 說：「有趣的是這種三光子真的形成了。在此之前我們並不知道與雙光子相比，三光子間的束縛是否是相同、更弱還是更強。」

原子云內的整個相互作用發生在百萬分之一秒以內。這種短暫的相互作用卻能讓光子緊密的結合在一起，即便它們已經離開了原子云。這個「故事」中精彩的部分是，光子會「記得」當它通過介質時，介質中發生的事情。

這意味著在這種情況下通過吸引力相互作用的光子，可以被認作是強相關或糾纏的——而這正是量子計算比特的關鍵屬性。

Vuletic說：「光子可以在很遠的距離內快速傳播，人們一直在用光來傳輸信息，比如光纖。如果不同的光子可以相互影響，那麼像我們已經成功做到的那樣——把這些光子糾纏在一起，就能讓它們以非常有趣且有用的方式來分配量子信息。」

如果，相互作用的光子數目能夠繼續增加，那麼定將產生更加有用甚至如科幻般的應用。

下一步，團隊將尋找方法來強制其他相互作用的發生，例如能讓光子像撞球一樣四散開來的斥力。Vuletic說：「這是個完全新穎的研究領域，我們甚至不知道對將發生的現象該抱有怎樣的期待。對於光子間的斥力，它們是否能形成一個規則的圖樣——如同一個光的晶體那樣？還是會發生其他事情？這都是完全未知的領域。」

編譯：二宗主

參考鏈接：

[1] http://science.sciencemag.org/content/359/6377/783

[2] http://news.mit.edu/2018/physicists-create-new-form-light-0215

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