首次实现时空全维度操控的单光子艾里子弹

本文转自：中国科学报

南方科技大学等

首次实现时空全维度操控的单光子艾里子弹

单光子艾里子弹艺术图。图片来源：南方科技大学

本报讯（记者赵广立实习生边歌通讯员王若云）近日，南方科技大学量子科学与工程研究院副教授陈洁菲课题组及合作者在实验上首次实现了单个光子非经典光源在时空维度的艾里子弹。相关研究成果发表于《物理评论快报》，并获得编辑推荐。

光子拥有最快的飞行速度并对环境扰动不敏感，且光子可用于携带量子信息的自由度非常丰富，故利用单个光子携带量子信息进行远距离传输，不仅有利于量子态在量子网点之间的有效传输，更有利于保障信息的安全。然而，即便是理想的量子光源也受限于其时间空间模式，如单个光子仍受到色散、空间扩散、衍射等限制经典光束远距离传输问题的影响。

经典光场调控领域对此问题的解决方案是利用非扩散的特殊光场，如艾里光束。艾里光束具有传播不变性，即在传播过程中无衍射、能自修复，且艾里函数是一维传播方程在近轴近似下的唯一无扩散解。前沿激光技术已经实现了光束在空间以及时间自由度的艾里子弹。但关于非经典光场的艾里调控非常有限。研究团队正是利用前沿的光量子操控技术，对单个光子在空间和时间维度上进行完全操控，实现了单光子艾里子弹。

该工作利用冷原子系综作为介质，首次实现了时空全维度操控的单光子艾里子弹。在量子网点之间利用光传输量子态的过程中，光在时间、频谱、空间中的模式分布可采用艾里波形，在传输过程中的色散、衍射等问题可利用艾里子弹解决。单光子艾里子弹将进一步应用到量子通信、量子信息处理的实验研究中。