近日，南方科技大学量子科学与工程研究院副教授陈洁菲课题组在单光子操控方面研究取得重要进展，在实验上首次实现了单个光子非经典光源在时空（2+1）维的艾里子弹。相关研究成果以“Spatiotemporal single-photon Airy bullets”为题发表在国际物理顶级学术期刊《物理评论快报》，并获得编辑推荐。

利用单个光子携带量子信息进行远距离传输，不仅有利于量子态在量子网点之间的有效传输，更对信息的安全性有至关重要的作用。光子拥有高速且对环境扰动不敏感，能携带非常丰富的量子信息，包括偏振、动量、轨道角动量、频率、时间等。然而，绝对理想的量子光源也受限于其时间空间模式，越短的光脉冲色散越严重，越聚焦的光束在空间扩散也越严重。单个光子仍受到色散、空间扩散、衍射等经典光束远距离传输问题限制。经典光场调控领域对此问题的解决方案，是利用非扩散的特殊光场，如艾里光束。艾里光束具有传播不变性，即在传播过程中无衍射且能自修复，且艾里函数是一维传播方程的唯一非扩散解。尽管前沿激光技术已经实现了光束在空间以及时间自由度的艾里子弹，但非经典光场的艾里调控仍有限。陈洁菲课题组利用前沿的光量子操控技术，实现了单个光子在空间和时间维度上的完全操控，形成了单光子艾里子弹。

单光子这种量子光场在光强上非常微弱，直接采用光学元件重塑制备后的单光子会导致微弱的信号消失和量子关联性被探测器的电子噪声淹没。研究人员结合冷原子系综和量子光学前沿实验技术，使无衍射光学在量子范畴得以实现。在长条形原子系综的电磁诱导透明慢光效应作用下，激发光的空间模式可以转换为原子系综发出的单光子的时间模式。结合单光子的空间模式重塑技术，研究人员从冷原子系综中制备了不受衍射和色散限制的时空2+1维的艾里子弹。此研究另一个重要突破是结合关联光子对的非经典关联性，艾里光子子弹的无衍射特性能在大量经典光噪声中存活。量子态可被有效地保护在艾里光束这种特殊光场模式中。这种特殊量子光场能应用到量子通信、量子信息、单光子显微技术及非破坏性生物成像等领域。

图: 单光子时空维度艾里子弹的实验观测。(a) 实验装置； (b) (2+1)维艾里子弹的实验波包。空间x和y轴的长度量级是100μm，时间τ对应的是100ns；(c) 观测到的单光子时间波形和对应的二阶自关联系数；(d) 非衍射单光子波包的抛物线轨迹。

在实验中，研究人员通过激光泵浦一团温度约为100微K的冷原子系综得到一对纠缠光子对。如图(a)所示，其中一束泵浦激光经过空间光调制器的调制具有艾里光的标志性波形，在另一束强激光的耦合下电磁诱导透明效应致使原子系综在空间上被艾里光波形调制，这种空间调制能转化为光子对的时间波形，从而重塑光子在时间上的形状。当光子对其中一个作为触发宣告另一个的存在，它的配对光子则会成为单光子，经过空间光调制器后其空间横模被相应调制。由此，研究人员成功把单光子的空间和时间维度都重塑为标准的艾里波形，如图(b)所示研究人员使用光子计数技术测量的单光子时空波形。图(c)是单光子在时间维度直接测量的艾里波形。其在1 微秒的相干时间内的二阶自关联系数均低于经典光的最小值g⁽²⁾=1。艾里光束的一个典型特征是在空间中传播路径非直线，而是沿着抛物线路线具有“自加速“特点。图(d)是单光子艾里子弹的传播路径。在大量经典光噪声的干扰下，单光子艾里子弹仍可通过光子对之间的非经典关联复现抛物线状的 “自加速”路径。

这项工作利用了冷原子系综作为介质，首次实现了时空全维度操控的单光子艾里子弹。在量子网点之间利用光传输量子态的过程中，光在时间或频谱或空间中的模式分布可采用艾里波形，进而在传输过程中的色散、衍射等问题可利用艾里子弹来解决。单光子艾里子弹将进一步应用到量子通信、量子信息处理的实验研究中。

南科大为论文第一单位，陈洁菲及研究员Georgios A. Siviloglou为论文通讯作者，量子科学与工程研究院博士研究生王建民为第一作者。共同完成本项研究工作的还包括深圳市国际量子研究院研究员左瀛，以及南方科技大学博士后王兴昌。合作者美国南加州大学Demetrios Christodoulides教授为本工作提供理论支持。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点实验室、深圳国际量子研究院和南方科技大学量子科学与工程研究院的大力支持。

据悉，美国物理学会在线杂志Physics Magazine亦报道了此项工作并对其重要性作详细评论。

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

Physics Magazine Viewpoint链接：https://physics.aps.org/articles/v17/53

供稿：量子科学与工程研究院

通讯员：王若云

主图：丘妍

编辑：朱增光