前沿科技之世界最小无线电台问世

扫街

在最基本的方案是，单个原子或分子用作量子比特，处理的信号是通过单光子传递。在过去20年里，科学家已经证明，可以检测单分子，也可以生成单光子。然而，用光子激发分子仍难以实现，因为分子看到和吸收光子的概率是非常小的。因此，通常每秒有数十亿个光子撞击分子，这样就可以从它获得信号。
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- R1 q+ ~/ J! A( P; |' p# G 一个普通的方法是，要解决这一困难，在原子物理学中，是制作一个空腔，围绕着原子，从而使光子被陷住足够长的时间，以产生良性互动概率。现在，科学家们在苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和埃尔兰根（Erlangen）马克斯 普朗克光学研究所（Max Planck Institute for the Science of Light）已经证明，甚至可以使飞行光子与单个分子交互作用。有许多挑战妨碍进行这样的实验，比如难以制成合适的单光子源，具有适当的频率和带宽。虽然可以购买的激光器有不同颜色和规格，但是单光子源市场上还没有。
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这样，这个科学家小组，在瓦希德 散岛达（Vahid Sandoghdar）教授领导下，自己制作了一个。为了做到这一点，他们利用了一种事实，就是当原子或分子吸收一个光子时，就会转变到一种所谓的激发态。经过几纳秒（千万分之一秒），这种状态会衰变到初始的基态，而且会精确地发出一个光子。在他们的实验中，小组使用的两个样品，都含有荧光分子，这些分子嵌入有机晶体，把它们冷却到约1.5 K（-272℃）。在每个样品中都可以检测到单分子，只需组合光谱和空间选择。
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为了产生单光子，就要激发单分子，形成“源”样品。分子激发态衰变时，就会发出光子，这些光子被收集，紧密聚焦到“目标”样本上，距离只有几米。为了确保样品中的分子“看到”传入的光子，研究小组就必须确保它们具有相同的频率。此外，珍贵的单光子必须与目标分子相互作用，而且要有高效的方式。一个分子大约是一纳米大小（比人的头发直径小10万倍），但是，聚集的光束不会小于几百纳米。
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这通常意味着，大部分入射光都绕过了分子，互相没有碰到。但是，如果传入的光子与量子力学跃迁的分子共振，那后者的作用就会作为一个磁盘，可媲美聚焦光线区域。在这个过程中，分子充当天线，捕捉附近的光波。研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，这就提供了第一个例子，属于长途通信的两个量子光学天线，类似于19世纪赫兹（Hertz）和马可尼（Marconi）实验的无线电天线。在这些早期的研究中，偶极振荡器（dipolar oscillators）用于发射和接收天线。

在目前的实验中，两个单分子模仿这种方案中的光学频率，而且是采用非经典光通道，即单光子流。这就开辟了许多可能性，可以进一步进行激发实验，单光子可用作量子信息载流子，用单个发射器处理。