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  香港科技大学杜胜望教授领衔的团队首次证实单个光子的传播速度同样无法超越光速c的限制

  北京时间6月28日消息,最近,科学家成功地得到波形可控的单个光子并进行实验,结果发现在单个光子情形下,爱因斯坦的理论依旧有效:单个的光子速度仍然无法超越光速c的极限。

  由香港科技大学杜胜望教授领衔的一个物理学家小组近日在《物理评论快报》上发表了他们有关单个光子速度的论文。这一研究结果对于最大信息传播速度理论有着深远影响,它首次证实单个光子情形下因果律依然有效,即:结果不能先于原因出现。

  爱因斯坦理论中最广为人知的说法之一就是“光速无法超越”,这也确实是现代物理中最基本的基础之一。但是到目前为止,实验仅仅验证了这一理论的一部分,即一大群光子以及它们所携带信息的传播速度是符合这一规律的,因此物理学家们一直以来都想证实,在单个光子的情形下,这一理论是否同样成立。

  杜胜望教授告诉PhysOrg.com:“我们最大的成就是,我们的实验结果为光携带信息的最大传递速度之争画上了一个句号。这将加深我们对于光的波粒二象性以及量子力学本质的认识。在爱因斯坦提出‘光子’这一名称100多年后,我们让人们对于光子可以看到一个更加清晰的图景,从而修正之前存在的一些错误的或者说误导性的观点。”

  在最近几年间,全球有数个小组一直在致力于用实验证明光究竟可以达到多高的传播速度。尽管先前的实验已经证明光的“群速度”可以超越光速c,但是“信号速度”——即光携带信息的传播速度,不行。由此,物理学家们希望了解单个光子情形下,其传播速度将遵循群速度还是信号速度。

  为了回答这一问题,杜胜望教授的团队不仅要获得单个光子,还要将“光前驱”,即一个光学脉冲前端的波形属性,从光子的其它部分剥离开来。先前进行的,基于宏观电磁波传播(即包含大量光子)的实验已经证明,光前驱是一个光学脉冲中传播速度最快的部分。而此次杜教授的实验则是首次证明,在单个光子层面同样存在这种光前驱,并且它们同样也是单个光子波形中传播速度最快的部分。

  为了分离单个光子中的光前驱,科学家们首先获取一对光子,随后让其中一个光子通过一群低温状态下的铷原子,并与此同时使用一台光电调幅器来控制光子的波形。这些原子将产生一种被称为“电磁诱导透明”(EIT)的效应,这使得科学家得以将单个光子的光前驱从整个波形中分离出来。当光前驱和光子的其他波形部分通过第二群铷原子时,科学家们便能分别测量光子的这两个部分的传播速度。

  实验结果发现,单个光子的光前驱传播速度一直保持光速c,这和大群光子的信号速度是一致的。而在任何介质中,单个光子的其他波形部分传播速度均不超过光速c,而在一种慢光介质中,其速度可以延迟大约500纳秒。在这种介质中,光子群的传播速度同样会出现减慢,小于光速c。

  杜教授解释说:“在慢光情形下,即光子群速度低于光速c时,其主波形中央部分遵循群速度。而当介质密度增加(即加入更多原子)之后,群速度会出现下降。而在快光实验,或称超光速实验中,即群速度大于光速c情形下,其主波形似乎出现了紊乱,并且不再遵循群速度。我们现在确定主波形的传播速度无法超越光前驱,即光速。”

  这一实验结果和先前的研究相符,这些研究对未经分离的单个光子光前驱和主波形进行了分析,并报告了一种震荡结构。这种震荡结构可以用光前驱和稍有延迟的主波形之间产生的相互干涉效应进行解释。

  除了为单个光子携带信息的最大传播速度之争画上一个句号之外,此项研究同时证明了单个光子传播速度无法超越光速,这一结果本身也将具有重要的实际意义,因为它能帮助科学家们加深对于量子信息传播机理的理解。

  “由于光前驱的上升波峰振幅在任何介质中都是无损的,只要确保其上升边缘时间无限小或者近于0。此时光前驱甚至可以应用于吸收介质中的光学通信,如水下光学通信等等。”不过他同时也指出,在实际实验中,光前驱还存在一些损耗。

  杜教授坦言。由于受现有技术手段的限制,光前驱通讯仍然无法进行实际应用。但是他相信这项技术将不断改进,并最终挑战现有的通信技术。

  “在未来,随着光电子技术进步到步进时间缩短至小于10飞秒时仍然能被高速光探测器直接检测到,那么光前驱技术将在光学通讯领域中大显身手;当然,单光子光前驱将可以被应用于量子通讯技术之中。”

  他表示:“有人可能会说现在我们就已经有了飞秒激光器,它们可以产生时长仅数飞秒的脉冲,但是我们还无法在这些脉冲山加载信息。并且在现有技术条件下,光探测器也还无法对这样的脉冲进行直接的检测。”

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