相距1.5亿公里的光子

在20世纪中叶之前，光似乎只是人们头脑中的一种普遍存在。尽管我们知道它既可以是粒子也可以是波，但它似乎并没有表现出任何其他非凡的行为。

第二次世界大战后，科学家开始更加关注光的特性。这在某种程度上是由多余的探照灯驱动的，这些探照灯可以转换成廉价的光电探测器阵列，用来测量恒星的特性。结果，科学家发起了反对光子的“淘金热”，他们发现了许多有趣的光行为。

1987年，一个里程碑式的实验出现了，它证明了一个惊人的量子光学效应，即当两个相同的光子同时进入一个分束器时，会产生一些意想不到的效应。如下图所示，当两个未分化的相同光子同时撞击部分反射器时，尽管我们无法预测它们下一步将向哪个方向行进，但我们可以确定它们无论走到哪里都会一起行进。

部分反射镜中两个单光子源之间的干涉:如果两个光子相同(左)，它们总是同时离开(方向是随机的)；如果光子不同，它们可能向不同的方向离开。

这与我们在经典世界的经历不同。如果这个世界是经典的，那么我们应该看到每个光子的行为是独立的，它们有一半的机会选择向不同的方向传播。但是在量子世界中，量子干涉将迫使它们结合在一起，导致它们总是以相同的方向离开分束器。

这种类型的干涉只能作用于相同的光子，也就是说，这种干涉的出现对光源有非常特殊的要求，并且它们强烈地依赖于能够根据指令产生单个相同光子的设备。光子可以通过颜色(即波长)、颜色纯度(即相干性)、振荡电场的方向(即偏振)、空间形状和到达时间来区分。纵观物理学研究的历史，不难发现创造这种相同的光子是极其困难的，许多研究者为此投入了大量的时间和精力。

现在，科学家已经通过精致的实验证明了太阳可以成为这样的光源。他们发现，即使相距1.5亿公里，光子之间也可能存在量子干涉。这为天文规模的量子光学实验打开了一扇窗。

我们知道太阳发出的光子有很宽的频率和偏振范围，科学家无法控制它们的到达时间。研究人员是如何将太阳变成如此特殊的光源的？

量子点使这成为可能。量子点是一种微小的物质点，通过限制单个电子产生量子行为。电子的限制效应可以将电子限制在特定的能量范围内，当电子想要释放能量时，就会发射光子。

材料科学家已经找到了一种方法来创造这个几乎相同的物质点，它可以释放出完全相同颜色的光子。与此同时，科学家有办法使它们具有相同的纯度、空间形状和极化。实验表明，这两个量子点可以发射相同的光子。

然而，仅此还不够。虽然科学家可以确保量子点通过微妙的控制自然产生相同的光子，但是对于像太阳这样不受控制的东西，应该做些什么呢？

为了将太阳转化为单光子源，研究人员将太阳能望远镜与一系列光纤、滤光器和光栅相结合，设计用来产生与实验室中半导体量子点产生的光子相匹配的光子。通过这种方式，他们过滤了从太阳持续捕获的光，只留下具有正确颜色、纯度、空间形状和偏振的光子。

然后，他们将光子和来自半导体量子点的光子一起发送到部分反射器进行分束。在这个过程中，时间起着非常重要的作用。因为实验要求当来自量子点的光子到达分束器时，只有一个来自太阳的光子能够撞击分束器。

然而，太阳发射光子的时间是随机和任意的，光子的数量是众多的，所以总是有不止一个可用的光子。但是一个量子点每10纳秒左右只能发射一个光子。因此，在解决时间障碍之前，研究人员必须丢弃许多来自太阳的光子，直到它们的平均光子速率与量子点的光子速率大致相同。此外，他们将探测器设置为仅在特定的时间间隔开启，以探测一起到达的光子。

在这种情况下，他们获得的实验结果几乎与相同的光子实验相同:当两个光子流在分束器处结合时，如果光子可以同时到达，那么它们有90%的机会一起离开。这种缺陷来自量子点，它有时会发射两个光子，而来自太阳的光子流有时会产生两个光子，因此研究人员不可能观察到完美的量子干涉。

然而，这已经是一个非常令人满意的结果。这表明干涉已经超出了经典物理学的预期，这意味着即使是来自自然光源的热光源也可以用于量子光学实验。研究人员进一步实现了来自太阳的光子与来自量子点的光子的纠缠，从而在光子之间产生纠缠态。他们证明这种纠缠态明显违反了贝尔不等式。研究人员解释说，结果表明，在一些量子加密方案中，阳光可以用作独立的光源。

这是一个非常不可思议的结果。这意味着现在我们有了把任何旧灯泡变成量子源的技术！研究人员还说，来自太阳的单个光子的量子特性也将帮助我们理解太阳的活动过程，如磁场行为等。因此，它不仅能带来明显的技术应用，而且具有令人振奋的潜在理论前景。