最近，科學(xué)家成功地得到波形可控的單個(gè)光子并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在單個(gè)光子情形下，愛(ài)因斯坦的理論依舊有效：?jiǎn)蝹€(gè)的光子速度仍然無(wú)法超越光速c的極限。

由香港科技大學(xué)杜勝望教授領(lǐng)銜的一個(gè)物理學(xué)家小組近日在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了他們有關(guān)單個(gè)光子速度的論文。這一研究結(jié)果對(duì)于最大信息傳播速度理論有著深遠(yuǎn)影響，它首次證實(shí)單個(gè)光子情形下因果律依然有效，即：結(jié)果不能先于原因出現(xiàn)。

愛(ài)因斯坦理論中最廣為人知的說(shuō)法之一就是“光速無(wú)法超越”，這也確實(shí)是現(xiàn)代物理中最基本的基礎(chǔ)之一。但是到目前為止，實(shí)驗(yàn)僅僅驗(yàn)證了這一理論的一部分，即一大群光子以及它們所攜帶信息的傳播速度是符合這一規(guī)律的，因此物理學(xué)家們一直以來(lái)都想證實(shí)，在單個(gè)光子的情形下，這一理論是否同樣成立。

杜勝望教授告訴PhysOrg.com：“我們最大的成就是，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為光攜帶信息的最大傳遞速度之爭(zhēng)畫上了一個(gè)句號(hào)。這將加深我們對(duì)于光的波粒二象性以及量子力學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。在愛(ài)因斯坦提出‘光子’這一名稱100多年后，我們讓人們對(duì)于光子可以看到一個(gè)更加清晰的圖景，從而修正之前存在的一些錯(cuò)誤的或者說(shuō)誤導(dǎo)性的觀點(diǎn)。”

在最近幾年間，全球有數(shù)個(gè)小組一直在致力于用實(shí)驗(yàn)證明光究竟可以達(dá)到多高的傳播速度。盡管先前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明光的“群速度”可以超越光速c，但是“信號(hào)速度”——即光攜帶信息的傳播速度，不行。由此，物理學(xué)家們希望了解單個(gè)光子情形下，其傳播速度將遵循群速度還是信號(hào)速度。

為了回答這一問(wèn)題，杜勝望教授的團(tuán)隊(duì)不僅要獲得單個(gè)光子，還要將“光前驅(qū)”，即一個(gè)光學(xué)脈沖前端的波形屬性，從光子的其它部分剝離開來(lái)。先前進(jìn)行的，基于宏觀電磁波傳播(即包含大量光子)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，光前驅(qū)是一個(gè)光學(xué)脈沖中傳播速度最快的部分。而此次杜教授的實(shí)驗(yàn)則是首次證明，在單個(gè)光子層面同樣存在這種光前驅(qū)，并且它們同樣也是單個(gè)光子波形中傳播速度最快的部分。

為了分離單個(gè)光子中的光前驅(qū)，科學(xué)家們首先獲取一對(duì)光子，隨后讓其中一個(gè)光子通過(guò)一群低溫狀態(tài)下的銣原子，并與此同時(shí)使用一臺(tái)光電調(diào)幅器來(lái)控制光子的波形。這些原子將產(chǎn)生一種被稱為“電磁誘導(dǎo)透明”(EIT)的效應(yīng)，這使得科學(xué)家得以將單個(gè)光子的光前驅(qū)從整個(gè)波形中分離出來(lái)。當(dāng)光前驅(qū)和光子的其他波形部分通過(guò)第二群銣原子時(shí)，科學(xué)家們便能分別測(cè)量光子的這兩個(gè)部分的傳播速度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單個(gè)光子的光前驅(qū)傳播速度一直保持光速c，這和大群光子的信號(hào)速度是一致的。而在任何介質(zhì)中，單個(gè)光子的其他波形部分傳播速度均不超過(guò)光速c，而在一種慢光介質(zhì)中，其速度可以延遲大約500納秒。在這種介質(zhì)中，光子群的傳播速度同樣會(huì)出現(xiàn)減慢，小于光速c。

杜教授解釋說(shuō)：“在慢光情形下，即光子群速度低于光速c時(shí)，其主波形中央部分遵循群速度。而當(dāng)介質(zhì)密度增加(即加入更多原子)之后，群速度會(huì)出現(xiàn)下降。而在快光實(shí)驗(yàn)，或稱超光速實(shí)驗(yàn)中，即群速度大于光速c情形下，其主波形似乎出現(xiàn)了紊亂，并且不再遵循群速度。我們現(xiàn)在確定主波形的傳播速度無(wú)法超越光前驅(qū)，即光速。”

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果和先前的研究相符，這些研究對(duì)未經(jīng)分離的單個(gè)光子光前驅(qū)和主波形進(jìn)行了分析，并報(bào)告了一種震蕩結(jié)構(gòu)。這種震蕩結(jié)構(gòu)可以用光前驅(qū)和稍有延遲的主波形之間產(chǎn)生的相互干涉效應(yīng)進(jìn)行解釋。

除了為單個(gè)光子攜帶信息的最大傳播速度之爭(zhēng)畫上一個(gè)句號(hào)之外，此項(xiàng)研究同時(shí)證明了單個(gè)光子傳播速度無(wú)法超越光速，這一結(jié)果本身也將具有重要的實(shí)際意義，因?yàn)樗軒椭茖W(xué)家們加深對(duì)于量子信息傳播機(jī)理的理解。

“由于光前驅(qū)的上升波峰振幅在任何介質(zhì)中都是無(wú)損的，只要確保其上升邊緣時(shí)間無(wú)限小或者近于0。此時(shí)光前驅(qū)甚至可以應(yīng)用于吸收介質(zhì)中的光學(xué)通信，如水下光學(xué)通信等等。”不過(guò)他同時(shí)也指出，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，光前驅(qū)還存在一些損耗。

杜教授坦言。由于受現(xiàn)有技術(shù)手段的限制，光前驅(qū)通訊仍然無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。但是他相信這項(xiàng)技術(shù)將不斷改進(jìn)，并最終挑戰(zhàn)現(xiàn)有的通信技術(shù)。

“在未來(lái)，隨著光電子技術(shù)進(jìn)步到步進(jìn)時(shí)間縮短至小于10飛秒時(shí)仍然能被高速光探測(cè)器直接檢測(cè)到，那么光前驅(qū)技術(shù)將在光學(xué)通訊領(lǐng)域中大顯身手；當(dāng)然，單光子光前驅(qū)將可以被應(yīng)用于量子通訊技術(shù)之中。”

他表示：“有人可能會(huì)說(shuō)現(xiàn)在我們就已經(jīng)有了飛秒激光器，它們可以產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)僅數(shù)飛秒的脈沖，但是我們還無(wú)法在這些脈沖山加載信息。并且在現(xiàn)有技術(shù)條件下，光探測(cè)器也還無(wú)法對(duì)這樣的脈沖進(jìn)行直接的檢測(cè)。”