前沿科技之世界最小無線電臺問世

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在最基本的方案是，單個原子或分子用作量子比特，處理的信號是通過單光子傳遞。在過去20年里，科學家已經(jīng)證明，可以檢測單分子，也可以生成單光子。然而，用光子激發(fā)分子仍難以實現(xiàn)，因為分子看到和吸收光子的概率是非常小的。因此，通常每秒有數(shù)十億個光子撞擊分子，這樣就可以從它獲得信號。

. U& }, r! w; X. ` 一個普通的方法是，要解決這一困難，在原子物理學中，是制作一個空腔，圍繞著原子，從而使光子被陷住足夠長的時間，以產(chǎn)生良性互動概率。現(xiàn)在，科學家們在蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）和埃爾蘭根（Erlangen）馬克斯 普朗克光學研究所（Max Planck Institute for the Science of Light）已經(jīng)證明，甚至可以使飛行光子與單個分子交互作用。有許多挑戰(zhàn)妨礙進行這樣的實驗，比如難以制成合適的單光子源，具有適當?shù)念l率和帶寬。雖然可以購買的激光器有不同顏色和規(guī)格，但是單光子源市場上還沒有。

3 p0 u# ?( U+ c! Y% {  L) Z 這樣，這個科學家小組，在瓦希德 散島達（Vahid Sandoghdar）教授領(lǐng)導下，自己制作了一個。為了做到這一點，他們利用了一種事實，就是當原子或分子吸收一個光子時，就會轉(zhuǎn)變到一種所謂的激發(fā)態(tài)。經(jīng)過幾納秒（千萬分之一秒），這種狀態(tài)會衰變到初始的基態(tài)，而且會精確地發(fā)出一個光子。在他們的實驗中，小組使用的兩個樣品，都含有熒光分子，這些分子嵌入有機晶體，把它們冷卻到約1.5 K（-272℃）。在每個樣品中都可以檢測到單分子，只需組合光譜和空間選擇。
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4 p7 P0 Q( F" a- D6 Z& A, g# H- ? 為了產(chǎn)生單光子，就要激發(fā)單分子，形成“源”樣品。分子激發(fā)態(tài)衰變時，就會發(fā)出光子，這些光子被收集，緊密聚焦到“目標”樣本上，距離只有幾米。為了確保樣品中的分子“看到”傳入的光子，研究小組就必須確保它們具有相同的頻率。此外，珍貴的單光子必須與目標分子相互作用，而且要有高效的方式。一個分子大約是一納米大小（比人的頭發(fā)直徑小10萬倍），但是，聚集的光束不會小于幾百納米。

  m5 ^% t4 b1 t5 @: ]  S 這通常意味著，大部分入射光都繞過了分子，互相沒有碰到。但是，如果傳入的光子與量子力學躍遷的分子共振，那后者的作用就會作為一個磁盤，可媲美聚焦光線區(qū)域。在這個過程中，分子充當天線，捕捉附近的光波。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，這就提供了第一個例子，屬于長途通信的兩個量子光學天線，類似于19世紀赫茲（Hertz）和馬可尼（Marconi）實驗的無線電天線。在這些早期的研究中，偶極振蕩器（dipolar oscillators）用于發(fā)射和接收天線。
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在目前的實驗中，兩個單分子模仿這種方案中的光學頻率，而且是采用非經(jīng)典光通道，即單光子流。這就開辟了許多可能性，可以進一步進行激發(fā)實驗，單光子可用作量子信息載流子，用單個發(fā)射器處理。