量子技术新突破：光子和成对原子首次实现相互作用

基于量子技术的快速发展，我们正稳步迈向一个全新的技术时代。但要达到这个目标，我们首先必须掌握使光与物质相互作用的能力–或者更严格地说就是，光子与原子相互作用。

这在某种程度上已经实现，为我们提供了尖端的腔体量子电动力学（QED）领域，它已经被用于量子网络和量子信息处理。尽管如此，仍有很长的路要走。目前的光-物质相互作用仅限于单个原子，这限制了我们在基于量子技术的那种复杂系统中研究它们的能力。

近日发表在《Nature》的一篇论文中，来自于 EPFL 基础科学学院的 Jean-Philippe Brantut 小组的研究人员找到了一种方法，使光子在超低温下与成对的原子“混合”。

研究人员在研究中使用了所谓的费米气体，一种由原子组成的物质状态，类似于材料中的电子。Brantut 解释说：“在没有光子的情况下，这种气体可以被制备成原子之间相互作用非常强烈的状态，形成松散的结合对。当光被送到气体上时，这些对中的一些可以通过吸收光子变成化学结合的分子”。

这种新效应的一个关键概念是，它是“相干地”（coherently）发生的，这意味着光子可以被吸收，把一对原子变成一个分子，然后发射回来，然后多次被重新吸收。Brantut 说：“这意味着一对光子系统形成了一种新型的‘粒子’，我们将其称之为‘pair-polariton’。在我们的系统中，光子被限制在一个‘光腔’（optical cavity，一个封闭的盒子）中，迫使它们与原子发生强烈的相互作用”。

Brantut 说：“气体的一些非常复杂的属性被转化为光学属性，可以用一种直接的方式进行测量，甚至不需要对系统进行扰动。未来的一个应用将是在量子化学中，因为我们证明了一些化学反应可以使用单光子相干地产生”。