试想一下，在一间黑暗的房间内，你打开两个手电筒，让它们发出的光束相互交叉。会观察到什么奇特的现象吗？答案是：并不会。这是因为构成这两束光的光子之间通常不会相互作用，只会彼此擦身而过。
但有没有可能通过某种方法，让光子像普通物质中的原子那样产生互相吸引或排斥的相互作用呢？事实上，在一篇刚发表在《科学》杂志的论文中[1]，由麻省理工的物理学教授Vladan Vuletic 和哈佛大学的 Mikhail Lukin 教授领导的研究小组证明，光子确实可以相互作用！他们观察到光子会粘在一起形成一种全新的光子物质。这意味着两束光在相遇时会合并成一束明亮的光。这一发现为光子在量子计算机中的应用开辟了一条新的道路！
越来越大
过去，Vuletic 和 Lukin一直在寻找能促使光子相互作用的理论和实验方法。2013年，多年的努力终于得到回报——他们的团队首次观察到一对光子相互作用并结合在一起的现象，从而产生了一种全新的物质状态。
我们都知道氧原子可以结合形成O₂和O₃（臭氧），却不能形成O₄；对有些原子来说，甚至无法形成三粒子分子。因此Vuletic和Lukin想知道光子间的相互作用是否可以发生在超过两个光子之间。这也是这项研究的目标。
为了弄清楚这个问题，他们用了与观察双光子间相互作用相同的实验方法。第一步就是将铷原子云冷却至仅比绝对零度高百万分之一的超低温度，这样能使原子减速到几乎停滞。然后研究人员将一束非常微弱的激光打向这团“静止”的原子云，这一激光束微弱到让每次穿过原子云的光子数量都非常有限。
○ 实验装置。| 图片来源：Science
之后，研究人员再对从原子云的另一边出来的光子进行测量，发现了光子能以成对和成三联体的形式流出，而不是像单个光子间彼此毫无关系那样，以随机的间隔离开原子云。这说明有某种作用——即吸引力——在它们之间产生了。
在通常情况下，光子是没有质量、且以30万公里每秒的速度（即光速）传播的；但是被束缚在一起的光子实际上会获得一小部分的电子质量，使它们的速度相对较慢，比普通非相互作用的光子的传播速度慢大约10万倍。
除此之外，为了追踪光子的数量和速率，研究人员还测量了光子通过原子云前后的相位。光子的相位表明它的振荡频率，我们可以从中得知它们相互作用的强烈程度。相位越大，它们之间的束缚就越强。研究小组观察到，当三光子粒子同时离开原子云时，光子的相位发生了偏移，并且是双光子情况下相位偏移的三倍。这意味着这些光子并非只在各自独立的相互作用，而是一同发生了强烈地相互作用。
难忘的相遇
之后，在基于物理原理的基础上，研究人员用一个假设来解释可能导致光子最初相互作用的原因。在假设模型中他们提出了这样的情景：当单光子穿过铷原子云时，会短暂地落在它附近的原子上，再“跳”到另一个原子上，这就如同花丛中飞舞的蜜蜂，在不同的花朵间跳跃，直到抵达花丛的另一端。
如果另一光子也同时穿过原子云，那么它也可以在某个铷原子上停留一些时间，形成一个电磁极化子（polariton）——一个部分是光子、部分是原子的混合体。这样两个电磁极化子就可以通过它们的原子部分相互作用。在原子云的边缘，原子所处的位置保持不变，而离开的光子则仍然结合在一起。相同的现象发生在三个相连的光子身上时，形成的束缚比双光子之间还要更强。
Vuletic 说：“有趣的是这种三光子真的形成了。在此之前我们并不知道与双光子相比，三光子间的束缚是否是相同、更弱还是更强。”
原子云内的整个相互作用发生在百万分之一秒以内。这种短暂的相互作用却能让光子紧密的结合在一起，即便它们已经离开了原子云。这个“故事”中精彩的部分是，光子会“记得”当它通过介质时，介质中发生的事情。
这意味着在这种情况下通过吸引力相互作用的光子，可以被认作是强相关或纠缠的——而这正是量子计算比特的关键属性。
Vuletic说：“光子可以在很远的距离内快速传播，人们一直在用光来传输信息，比如光纤。如果不同的光子可以相互影响，那么像我们已经成功做到的那样——把这些光子纠缠在一起，就能让它们以非常有趣且有用的方式来分配量子信息。”
如果，相互作用的光子数目能够继续增加，那么定将产生更加有用甚至如科幻般的应用。
下一步，团队将寻找方法来强制其他相互作用的发生，例如能让光子像台球一样四散开来的斥力。Vuletic说：“这是个完全新颖的研究领域，我们甚至不知道对将发生的现象该抱有怎样的期待。对于光子间的斥力，它们是否能形成一个规则的图样——如同一个光的晶体那样？还是会发生其他事情？这都是完全未知的领域。”
编译：二宗主
参考链接：
发表于 2018-5-18 20:15
收藏
分享