納米科學和納米技術中心的物理學家第一次證明：光的直接產生是同時存在一個光子、兩個光子和沒有光子的狀態。研究指出，使用了幾十年的同一種光發射器也能產生這些量子態，並期望這對任何一種原子系統都適用。量子疊加是量子物理的一種性質，它能讓粒子以不同的狀態同時存在，著名的理論例子是薛定諤的貓，它既是死的又活是的。
讓我們想象一隻老鼠試圖找到迷宮的出口，在經典領域，它會嘗試每一條路徑，一次一個，直到最終找到出口。然而，在量子世界中，疊加態能讓老鼠同時嘗試所有不同的路徑，因此更快地找到出口。
對於光，疊加態已經在它的幾個性質中被顯示出來。例如，在偏振中，單個光子的電磁場在垂直和水平方向上振盪，或者在一條路徑上振盪，在干涉儀中獲得所有可能的軌跡，就像光子迷宮一樣。在時間上疊加也是可能的，光子在早期和後期同時存在。
然而，創造同時只有一個光子，兩個光子，或者根本沒有光子的光，換句話說，“光子數”的量子疊加，仍然難以捉摸。一些複雜的實驗已經多次實現了這些疊加態，但從來沒有按需實現過，這意味著每次實驗都取得了成功。目前還不知道這些狀態的直接發射器是否存在。在《自然光子學》期刊上發表的一篇研究論文中，來自CNRS和合作者的研究人員首次證明了光子數量子疊加中按需產生的光。科學家研究了人工原子的發射，這是一個插入光學微腔的半導體量子點。
該研究的主要作者胡安·洛雷多和卡洛斯·安東指出：通過用光脈衝對量子點進行相干激發，發現原子態的量子相干是通過自發發射過程保存下來的，並被印在發射的光子態上，產生了0、1和2個光子的量子疊加。這種從未在任何原子系統中見過的觀察結果表明，像量子點這樣的人工原子現在被控制到這樣一個程度，即它們的行為與教科書中描述的系統相同。這些基於光子數相干疊加的光量子態為設計和實現量子通信、量子計算中的新方案開闢了令人興奮的途徑。
博科園｜研究/來自：納米科學和納米技術中心
參考期刊《自然光子學》
DOI: 10.1038/s41566-019-0506-3
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