新突破！光子与成对原子首次实现相互作用，有望推进量子技术的发展

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的物理学家们，近日首次发现了一种让光子与原子对相互作用的方法。这一突破，对于引领量子技术发展的腔量子电动力学（QED）领域具有重要意义。

此前，光子与原子相互作用在一定程度上已经实现，并应用于量子网络和量子信息处理。而让科学家们头疼的是——目前，光与物质的相互作用仅限于单个原子，这限制了我们在涉及量子技术的复杂系统中研究它们的能力。

在《自然》（Nature）杂志上发表的一篇论文中，EPFL基础科学学院的Jean－Philippe Brantut小组的研究人员发现了一种方法，可以让光子在超低温下与原子对“混合”。

据悉，研究人员使用了所谓的费米气体（Fermi gas），这是一种由原子组成的物质状态，类似于材料中的电子。研究人员解释称：“在没有光子的情况下，气体可以在一种原子之间相互作用非常强烈的状态下制备，形成松散束缚的对。”“当光被发送到气体中，其中一些对可以通过光子吸收变成化学结合的分子。”

这种新效应的一个关键概念是，它是在“相干”（coherently）的情况下发生的，这意味着光子可以被吸收，将一对原子变成一个分子，然后发射回来，然后多次被重新吸收。

“这意味着对光子系统形成了一种新型的‘粒子’——技术上是一种激发——我们称之为‘对极化子’（pair－polariton）。”Brantut说。“这在我们的系统中成为可能，光子被限制在一个‘光学腔’（optical cavity）——一个封闭的盒子，迫使它们与原子强烈相互作用。”

混合极化对具有光子的一些特性，这意味着它们可以用光学方法测量。它们还具有费米气体的一些特性，比如在光子进入之前，费米气体的原子对数量。

“气体的一些非常复杂的性质转化为光学性质，可以直接测量，甚至不扰动系统，”Brantut说。“未来的应用将在量子化学中，因为我们证明了一些化学反应可以用单个光子相干产生。”

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论文来源：Hideki Konishi， Kevin Roux， Victor Helson， Jean－Philippe Brantut． Universal pair－polaritons in a strongly interacting Fermi gas． Nature 25 August 2021． DOI： 10．1038／s41586－021－03731－9