PhotoniX前沿 | 从经典多光子系统中分离量子相干性

研究背景

      自量子物理诞生以来，经典与量子世界之间边界的探索一直是科学界的重要课题。多年来，研究者们不断致力于揭示宏观系统的非经典特性，量子多体系统的研究成为推动这一领域发展的关键。通过验证量子叠加、波粒二象性、纠缠以及多粒子系统的退相干现象，研究者获得了大量宝贵的经验。这些现象表明，量子多体系统能够支持复杂多样的干涉与散射过程，这些过程是实现许多经典系统无法完成的操作的核心所在。这些发现不仅深化了我们对量子力学基本原理的理解，也为量子信息、量子计算和量子传感等技术的发展奠定了基础。

      近年来，大规模量子多体系统的基础物理研究和技术潜力激发了多种实验平台的开发，用于制备和操控这些系统。这些平台涵盖了囚禁原子、量子点、超导量子比特、氮空位中心以及光子系统等多种技术。其中，光子系统凭借其在室温下表现出卓越量子特性的能力，成为研究多体量子系统的理想选择。光子系统不仅可以实现高维量子态的操控，还能够有效抵抗环境噪声的影响，使其在量子信息处理、量子通信和量子成像等领域具有巨大的应用潜力。

导读

      热光场的经典特性在早期光学研究中具有重要作用。在激光发明之前，热光被用来研究光的波粒二象性现象。随后，电磁辐射的量子理论进一步确认了热光场的经典属性。在本研究中，我们将热光场分解为包含多个光子的子系统，确认了在经典系统中的量子相干性。我们通过设计具有轨道角动量的散射路径，展示了一个包含四十粒子的量子相干系统。该研究平台能够精准地将散射的热光场投影到由量子动力学主导的多光子子系统中。值得关注的是，这些表现出量子相干性的多光子子系统产生了此前被认为仅存在于纠缠光学系统中的干涉图样。通过这项研究，我们揭示了一种从经典光场中分离出量子子系统的新机制。

主要研究内容

      在本研究中，我们在经典热光学系统中分离出量子多光子子系统。尽管大多数孤立的子系统表现出与主热光系统相似的经典相干特性和干涉动力学，但其中一部分子系统揭示出显著的量子相干特性，这种行为与主系统形成鲜明对比。我们的工作通过对经典光学系统的粒子数进行投影测量，提取了多光子量子子系统。这种测量方法使我们能够观察多体子系统的量子相干性，其中包括多达四十个光子的相互作用。

      具体而言，我们通过测量由随机经典光波干涉产生的涡旋的多光子动力学，探讨了经典和量子相干性的不同作用。通过实验，我们证明了这些表现出反聚合效应（anti-coalescence）的多光子系统会引发关联相互作用。相反，我们发现那些表现出聚合现象（coalescence）的多光子子系统会引发反关联相互作用，这与主热光系统的宏观行为相反。值得注意的是，在经典开放系统中分离量子相干性的潜力不仅对量子物理具有基础意义，还对从受退相干过程影响的开放物理系统中恢复量子特性具有深远影响。

技术突破与创新

      在本研究中，我们首先探讨了随机光场中涡旋的形成，这一现象在多种物理系统中引起了广泛关注。我们设计了一个经典随机光学系统，该系统包含多个横向空间奇点，其空间强度分布如图1所示。虽然这是一个经典系统，但其中包含的多光子量子子系统展现出了独特的非经典涡旋动力学，这些特性无法通过传统的经典理论描述。通过对光子数态的投影测量，我们成功从散射的经典系统中提取了多光子量子子系统。这些测量使得我们能够将热光系统的状态坍缩到受量子动力学控制的多光子子系统中。

      我们实验中的经典光场由具有横向空间奇点的随机光场组成。如图所示，热光场包含具有不同涡旋分布的量子子系统。

      我们接着讨论多光子聚合与反聚合在多光子子系统中形成关联和反关联干涉图样中的意义。这些效应可以通过使用角双缝结构对经典热光系统进行散射来研究。在这种情况下，我们将一个臂中的多光子子系统投影到不同轨道角动量模式，而另一个臂中的子系统则投影到一个固定轨道角动量l₂=3上。由于经典光中存在轨道角动量相关性，这两个臂之间的相关性会形成峰值在l₁=3的干涉图样，如图2a所示。

      如我们的预期，构成经典系统的大多数的多光子子系统产生的干涉图样应该与主系统的行为类似。由于反聚合效应调控了这些干涉过程，图2b中的图样也在l₁=3附近表现出峰值。这里，光子数量较多的系统产生了超越了经典系统的可见性。相反，多光子子系统的聚合导致了显著不同的干涉结构。这些提取的多光子子系统产生了反关联的干涉结构，如图2c所示。令人惊讶的是，这些多光子干涉图样在l₁=-3处出现了峰值。在过去近二十年间，这种行为被认为是轨道角动量纠缠光子的特性，由自发参量下转换过程中轨道角动量守恒导致的轨道角动量反相关。然而，在我们的实验中，这些非经典的多光子子系统是从经典光学系统中提取的。值得注意的是，我们使用复高斯概率密度函数的理论模型成功捕捉到了实验中观察到的所有特性。

      我们的热光系统通过双缝结构产生的经典干涉图案如图a所示。如图b所示，这样的经典系统中，反聚合多光子子系统的压倒性存在导致关联的峰值位于l₁=3。这些干涉图案的可见度随着子系统中光子的数量而增加。值得注意的是，将经典热光系统投影到图c中的量子子系统上，可以发现不同的干涉结构。这些子系统会产生反关联的干涉图案，峰值位于l₁=-3。尽管图c中的量子子系统是从经典热光场中提取的，但它们表现出相反的关联动力学。

观点评述

      本研究揭示了经典世界中的量子特征。我们对经典系统量子动力学的测量展现了经典与量子世界截然不同的本质。研究结果显示，经典与量子相干性在多光子系统行为中发挥了显著作用。这一现象通过观察具有轨道角动量的多粒子散射过程得以证明。借助光学研究平台的灵活性，我们通过测量包含多达四十个粒子的多光子波包的轨道角动量和粒子数，成功将经典与量子相干性过程分离。不同相干条件的识别使我们观察到这些波包之间散射过程中关联和反关联现象的发生，这些波包共同组成了一个经典光子系统。此外，本研究提出了一种从开放的经典系统中提取和分离量子系统的新机制。这一发现为量子物理学开辟了新的研究范式，并对开发稳健的量子技术具有深远意义。我们相信，这些发现揭示了多体系统的普遍性质，这些性质对于从凝聚态物理到核物理等多个领域都具有重要价值。

主要作者介绍

      由成龙，现任美国路易斯安那州立大学（Louisiana State University）物理与天文学系研究助理教授。于2019年获美国路易斯安那州立大学物理学博士学位，并随后加入了该校的量子光学实验组，专注于量子计量学和量子光学的研究。目前的研究兴趣包括量子成像、量子传感以及量子等离激元。在Nature Physics, Nature Communications，PhotoniX等国际顶级物理、光学期刊上发表论文数十篇。

      洪铭远，美国路易斯安那州立大学（Louisiana State University）物理与天文学系博士研究生。2019年本科毕业于中国科学技术大学近代物理系。于2020年加入美国路易斯安那州立大学的量子光子学实验组，从事量子等离激元、量子光学研究。在Nature Physics, Nature Communications，PhotoniX等国际顶级物理、光学期刊上发表论文数篇。

      Omar S. Magaña-Loaiza，现任美国路易斯安那州立大学 (Louisiana State University）物理与天文学系终身教授。于2016年在罗切斯特大学 (University of Rochester) 获得博士学位，随后成为美国国家标准与技术研究院（NIST）实验室的研究助理。2018年，入职路易斯安那州立大学，并担任量子光学实验室负责人。他带领的研究组致力于探索光的全新特性及其在量子技术中的潜力。研究组的成果多次登上知名期刊封面，并在包括印刷媒体、电视、互联网和广播在内的多种平台上被重点报道。他的学术生涯还曾被《Physics Today》专题介绍。此外，他曾获得美国陆军研究办公室的早期职业计划资助。