南科大团队实现无扩散的单光子波包，或实现更复杂的量子系统

近日，南方科技大学陈洁菲教授和合作者，首次实现了在时间和空间上均无扩散的单光子波包。

图 | 陈洁菲（来源：陈洁菲）

实验结果结合了最前沿的光量子制备和波包操控技术，呈现了在真正单光子量子范畴的艾里波包。

由于艾里波包在多个基础研究和应用领域有重要的应用前景，如量子通信、显微镜成像等。因此，本次成果将在光量子领域、成像等研究方向引起关注。

据介绍，本次成果演示的是在单光子水平上高精度地操纵量子光源的空间和时间自由度，这种技术本身可以推广到对单光子量子光源进行任意的时空重塑，如贝塞尔光束等其他具有特殊结构的光场。

空间和时间中的结构光，可用于通过空间和时间波分复用来增加信息容量，类似于在其他自由度中编码量子信息的方法。

同时，艾里光弹也能用于量子通信相关的几个特定应用，如地空之间、水下的量子信息传输。

此外，经典领域的光学艾里光束已经用于实现光学显微镜，相关的光学显微镜已经被商业化。

陈洁菲预计艾里调控可应用在利用纠缠光子对的量子成像中，从而用于重塑光子对的时空模式。

在量子范畴之中，艾里光弹利用光子相关性，可以提高成像的分辨率和在噪声环境中的复原性。

（来源：Physical Review Letters）

量子态远距离传输的理想光形态

光，是实现远距离量子信息传输的最理想的载体。人们普遍认为利用已有成熟的光纤通信网络，光可以携带量子信息从一个城市到另外一个城市，甚至跨越上万公里到太平洋的另一端。

在自由空间的量子信息传输则发展更快，早在 2021 年中国科学技术大学潘建伟教授团队就演示了跨越 4600 公里的星地一体量子通信网络。

然而，在光纤通信中由于存在色散，光脉冲会在传输一定距离后发生脉冲变形、塌缩，最终光信号消失殆尽。

色散是由于光信号其实由不同频率组成，而这些不同频率的光波在介质中传播有不同速度，最终导致不同成分光信号发生不同步而溃散。

在空气或大气这类所谓“自由空间”中，由于没有了波导限制空间模式，光信号甚至发生垂直于传播方向的发散、衍射，导致光能量无法聚集而到达远处。

这些问题普遍存在于经典光束中，源自光的时间空间模式。这就像一束激光比一个手电筒的光能照射到更远，因为激光的时空模式从光源产生的时候就经过了塑造和限制。

然而，一束准直的激光仍有一定的相干时间和长度，在一定距离之后，激光光束也不可避免开始发散。

光量子态装载在这些具有时空模式的“盒子”里，因此也不能幸免。解决这个问题的方法大体思路就是：针对光的时间和空间模式进行重塑或限制。

光纤，是一种限制光传输空间模式的典型方案。但是光纤并不能适用于所有场合，如地空之间或水下通信等场景。

在更广阔的光学应用范畴，如显微镜成像、光镊等光纤不适用的应用中，解决自由空间中的光束传播扩散问题则尤为重要。

自 2007 年开始，以艾里光束为代表的具有“传播不变性”的特殊光场，开始在光学领域引起高度关注。

这种在空间中具有特殊强度和相位分布的光场展示出一系列有利于传输的优点，如在传播中形状不变、无衍射，甚至空间模式在传输过程中受到破坏也能自我修复。

它为量子态的远距离传输提供了一种理想的光形态。基于此，陈洁菲等人开始了此项研究工作。

（来源：Physical Review Letters）

越坚持，越无阻

陈洁菲表示：“这项研究最开始是我和课题组另一位研究员 Georgios Siviloglou 讨论后定下的。”

Georgios 在艾里光束方面的研究经历相当丰富，2007 年他还是博士生的时候，他与当时其他课题组同事首次报道了艾里光束的制备、并演示了它的无衍射特性。

经讨论后 Georgios 认为艾里光可被用于解决光量子的远距离传输问题，但是那时已有的量子光艾里调控报道还非常有限。

而 Georgios 熟悉经典艾里光束的产生，陈洁菲专长量子光源的制备和单光子操控和探测。

于是，他们一拍即合，很快定下大概思路和研究目标——即在时间和空间维度，均能实现艾里调控的单光子量子光源演示。

随后，他们结合空间光调制和冷原子量子光学的实验技术，把时空艾里单光子的操控分解为空间和时间独立操控。

陈洁菲认为，冷原子系综非常适合用于在时间维度上操控单光子艾里子弹。原因是：在时间上的单光子波形，可以通过作用在原子系综上的泵浦光的空间模式进行控制。

由于他们使用的是二维磁光阱预备原子系综，最终原子系综有效长度可以达到 2 厘米。因此，在如此大的一个空间尺度上，光束的空间模式控制将会非常方便。

另外，在空间维度的艾里调控上，陈洁菲和 Georgios 一致认为空间模式的艾里调控，可以直接利用空间光调制器调制原子系综发出的单光子束。

随后他们开始进行实验。期间，他们先把一束激光光束的光强，降低到每个脉冲只有很少量光子的弱光水平，然后把空间光调制器放在这光束光路上，利用高灵敏度的科学级电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）探测光子信号的空间分布。

但一开始，他们购买的空间光调制器还没有发货，Georgios 提出使用三个柱面透镜组合的方式进行艾里调制。

这个方案很快就被验证成功，他们也得到了能在空间上满足二维艾里函数的光子分布。

后面的操作则难度更高，需要把一束进行一维艾里调控的泵浦光，对准原子系综中心并均匀作用在原子上面。同时，原子系综必须处于原子密度最优的状态之下。

这是整个实验最高难度的部分，需要细心地优化所有实验条件和光路。

半个月之后，实验结果显示了艾里函数前两级分瓣（lobes）的雏形。但是实验结果并不稳定，每天系统打开，得到的单光子时间波形并不一致。

他们分析之后认为：三个柱面镜的组合对于光路稳定性要求很高，加上系统的不稳定，导致实验数据很难有效重复。

当时，刚好空间光调制器快要到货，因此课题组先进行了系统优化，同时等待空间光调制器。

每当通过预设的实验方案，所得到的实验结果不符合预期的时候，就需要使用其他方案。

例如，他们在测量艾里单光子子弹的抛物线轨迹时，修改了探测方案。

一开始计划是用科学级 CCD 探测光信号的，但是实际由于单光子计数率非常低，而已有的 CCD 没有足够的灵敏度测量单光子空间轨迹。

因此，他们利用光学成像技巧改造了光路，并利用光纤收集和单光子探测器测量了光子轨迹。

期间，实验系统由于实验室内温湿度的变化发生微小改变，导致实验结果无法重复。

这时，就需要重新优化原子系统，重新找一个最佳的作用区域。此外，单光子是非常微弱的光信号，通常一组可用的数据，需要累计的时间是以小时计算的。

因此，在验证结果的可重复性上，论文一作王建民忍受了枯燥而煎熬的时间。

后来，王建民总结称：“我们的科研态度要像艾里光束一样，面对困难坚持的时间越长，自然会抹平障碍带来的影响，实现自我修复。”

最终，相关论文以《时空单光子艾里子弹》（Spatiotemporal Single-Photon Airy Bullets）为题发在Physical Review Letters[1]，

王建民是第一作者，陈洁菲和乔治·西维洛格卢（Georgios Siviloglou）担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

不过，本次工作并不是终点，而是探索的开始。后续，课题组想探索这些类型的传播不变波包，是否可以直接存储在原子系综中，并应用到光量子存储中。

原子系综的一个优点，在于它们的光谱线宽窄，因此能够实现长相干时间的光子，这或许能用于探索基于结构光的量子中继器。

另外，由于该团队针对单光子的时空操控技术已经成熟，因此目前他们正在探索使用机器学习和空间光调制技术，来获得最适合存储在原子介质中的光量子时空模式。

另一个令人兴奋的可能性，则是利用具有更宽光谱的介质如非线性晶体，并在飞秒范围内实现时空单光子，其中时间动力学效应更为明显。预计这将使他们能够观察到单光子波包的直接加速形式。

此外，他们还计划使用 AI 来优化实验系统，希望能够实现更复杂的量子系统，做到可以实时反馈和自我优化，进而减少人工干预。

（来源：Physical Review Letters）

“自己就是自己的超级博士后”

另据悉，研究物理的女性学者并不多。那么，陈洁菲如何走上这条道路的？

据介绍，陈洁菲的博士导师是杜胜望教授。当时陈洁菲在香港科技大学踏入研究生第二年的时候，杜胜望教授刚入职，他正好需要学生。

于是，陈洁菲的硕士导师就把她推荐到杜胜望教授课题组，并成为后者的第一个研究生。

杜胜望教授的研究方向是原子分子光物理和量子物理，因此陈洁菲就顺理成章踏上了这条路。

陈洁菲说：“我加入之后的第一年是杜老师实验室建设的关键时期。那时候课题组就只有我、博士后卫栋（现西安交通大学副教授）和杜老师自己在干活，我们几乎全部时间泡在实验室搭冷原子系统。”

那一年是陈洁菲学业和研究上吸收知识和技能最快的一年，感觉自己在那一年学到的东西比前二十几年学到的东西还要多。

当看到监控屏上面出现了发着荧光的冷原子团，陈洁菲觉得有种巨大的成就感，那是他们自己逐个光学元件搭建起来的“神迹”。

随着陈洁菲独立学术生涯的开始，跟大多数“青椒”一样，困难也开始接踵而来。“那时我自己就是自己的超级博士后，也没有导师可以依赖。”其表示。

事实上，独立建组之后在制定课题时，陈洁菲很多时候都是迷茫的，一开始不知道做什么、终于知道做什么了，又开始发愁不知道怎么做。

但庆幸的是，这段日子里陈洁菲也逐渐成长，同事和家人都给了很多帮助。

她说：“加入了南科大量子院这几年，我在院长俞大鹏院士的帮助下逐渐组建了自己的团队。国家也非常支持量子科学技术的发展，我也期待自己能贡献更多。”

参考资料：

1.Wang, J., Zuo, Y., Wang, X., Christodoulides, D. N., Siviloglou, G. A., & Chen, J. F. (2024). Spatiotemporal single-photon Airy bullets.Physical Review Letters, 132(14), 143601.

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