科學家首次實現時空全維度操控的單光子艾里子彈

近日，南方科技大學量子科學與工程研究院副教授陳潔菲課題組在單光子操控方面的研究取得重要進展。陳潔菲課題組在實驗上首次實現了單個光子非經典光源在時空（2+1）維的艾里子彈。其相關研究成果以“Spatiotemporal single-photon Airy bullets”為題發表在國際物理頂級學術期刊《物理評論快報》，并獲得編輯推薦。

單光子艾里子彈意象圖  圖片來源：南方科技大學

光子擁有最快的飛行速度并對環境擾動不敏感，且光子可用于攜帶量子信息的自由度非常豐富，故利用單個光子攜帶量子信息進行遠距離傳輸，不僅有利于量子態在量子網點之間的有效傳輸，更有利于保障信息的安全性。然而，即便是理想的量子光源也受限于其時間空間模式，如單個光子仍受到色散、空間擴散、衍射等限制經典光束遠距離傳輸的問題。

經典光場調控領域有對此問題的解決方案，即利用非擴散的特殊光場，如艾里光束。艾里光束具有傳播不變性，即在傳播過程中無衍射且能自修復，且艾里函數是一維傳播方程在近軸近似下的唯一無擴散解。前沿激光技術已經實現了光束在空間以及時間自由度的艾里子彈。但關于非經典光場的艾里調控非常有限。陳潔菲課題組的研究團隊正是利用前沿的光量子操控技術，對單個光子在空間和時間維度上的完全操控實現單光子艾里子彈。

該工作利用了冷原子系綜作為介質，首次實現了時空全維度操控的單光子艾里子彈。在量子網點之間利用光傳輸量子態的過程中，光在時間或頻譜或空間中的模式分布可采用艾里波形，進而在傳輸過程中的色散、衍射等問題可利用艾里子彈來解決。單光子艾里子彈將進一步應用到量子通信、量子信息處理的實驗研究中。

美國物理學會的在線雜志Physics Magazine報道了該工作并對其重要性作了詳細評論。評論稱，這項工作為實現對單個光子的完全時空操控提供了一條有效路徑，該策略是否可推廣到其他類型的光束整形并保持相同效率值得期待。

南科大為論文第一單位，陳潔菲及研究員Georgios A. Siviloglou為論文通訊作者，量子科學與工程研究院博士生王建民為第一作者。合作者美國南加州大學Demetrios Christodoulides教授為該工作提供了理論支持。

相關論文信息：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.143601