近日，南方科技大学量子科学与工程研究院陈洁菲副教授团队利用冷原子系综制备和调控单光子量子光源，首次实现空间和时间(2+1)维的单光子艾里子弹，可抵抗远距离传输中的光扩散问题，有望应用于远距离的量子态传输。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。美国物理学会的在线杂志Physics Magazine报道了此项工作并对其重要性作详细评论。

研究背景

理想的单光子量子光源指的是每个脉冲仅由一个光子组成。有别于经典单光子水平的弱光，这种单光子光源没有光子数涨落。它适用于量子不可克隆原理，即通信中的窃听者无法复制单光子所携带的量子信息。另外，光子飞行速度高并与其他粒子相互作用极弱而不受环境影响。这些因素使得单光子在量子通信、量子信息处理中有非常重要的地位。光子可用于携带量子信息的自由度非常丰富，包括偏振，动量，轨道角动量，频率，时间。然而在自由空间远距离传输中，绝对理想的量子光源也受到扩散问题的困扰。扩散在时间维度表现为色散，与天空中的彩虹相同原理；在空间维度则表现为光束发散、衍射等。

艾里、贝塞尔光束这类空间无扩散的特殊光场就是为了解决上述问题。艾里函数是一维传播方程在近轴近似下的唯一无扩散解，因此在空间-时间（2+1）维的艾里调控能使光脉冲抵抗远距离传输中的色散和发散。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。但关于非经典光场的艾里调控非常有限。研究团队正是利用前沿的光量子操控技术，对单个光子在空间和时间维度上的完全操控实现单光子艾里子弹。

创新点

该团队首次结合光量子操控和艾里光调控技术，使无衍射光学在量子范畴得以实现。单光子这种量子光场在光强上非常微弱，若直接在单光子的传播路径上插入光学元件进行重塑，微弱的信号消失殆尽而量子关联性也会被探测器的电子噪声淹没。

图1: 单光子艾里子弹的时频模式。(a) 时域艾里波包； (b) 观测到的单光子时间波形和对应的二阶自关联系数；(c) 艾里波包(combined)及其对应的1st and 2nd lobe。

利用长条形冷原子系综的电磁诱导透明慢光效应，团队研究人员实际调控的是泵浦激光的空间模式，则能起到操控原子系综发出的单光子的时间模式的效果。单光子探测器得到的光子计数结果如图1（a）所示，通过多次测量相同的单光子并把实验结果累计得到其在时频维度的概率分布。图1（b）显示不同系统条件下的艾里波包的二阶自关联系数，显示其在1 微秒的相干时间内均低于经典光的最小值g(2)=1。

图1（c）则给出了艾里波包的前两级分瓣（1st lobe，2nd lobe）。艾里波包的无扩散特点体现在第一级分瓣（也称Main lobe）的扩散比相同半高宽的高斯脉冲小，原因是高级分瓣不断向第一级输送及补充概率流用以维持Main lobe的模式和不同分瓣之间相位相反。若在传输过程中阻挡Main lobe使其彻底损耗，艾里波包的自修复特点会使高级分瓣及时向Main lobe输送。

图2: (2+1)维时空艾里子弹。(a) 实验测得的(2+1)维艾里子弹的实验波包。 空间x和y轴的长度量级是100 μm，时间t对应的是100 ns；(b) 系统条件下模拟产生的艾里子弹的理论模型；(c) 无衍射单光子波包的抛物线轨迹；(d) 传输中加入的经典噪声；(e) 单光子艾里波包在噪声下的抛物线轨迹；(f)量子关联移除后的光子在噪声下的轨迹

如图2(a)所示，通过光子累积计数团队研究人员测得(2+1)维时空艾里子弹，与图(b)的理论模型非常接近。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(c)演示的就是测得的单光子艾里子弹在自由空间的传播路径。这项研究工作的另一个重要突破是结合了关联光子对的非经典关联性，使艾里光子子弹的无衍射特性能在大量经典光噪声中存活而不被淹没。实际上，该团队在实验中产生的是一对具有量子关联性的光子对，单光子的存在需要其配对光子被成功捕获这一事件作为触发信号。团队在单光子的传播路径中加入了大量随机的经典光噪声，如图(d)。在随机光噪声的干扰下，有触发信号的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，如图(e)。与此对比，图(f)显示无触发信号下的光子轨迹完全被经典噪声淹没。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、单光子超分辨显微技术及非破坏性生物成像中。

总结与展望

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。类似的物理操控机制可推广至其他平台产生的量子光源，在更短的时间尺度上能更好地显示其无扩散特点。单光子艾里子弹的优势将显现在自由空间传输信号的场景，如地空距离量子通信、水下量子信息传输等。