深夜开车，您遇到红灯并停下车。您疲惫地抬起手，挡住穿过挡风玻璃的红光。突然，绿灯和黄灯同时亮起，同时照射到您的眼球。您感到困惑，移开手，又只看到红色。
最近柏林的研究人员通过实验表明，如果交通信号灯是一个被激光束照射的单原子，就会发生这种超现实的场景。他们观察了原子散射的光，发现光子——最小的光粒子——一次一个地到达探测器。科学家们挡住了他们看到的最亮颜色，突然，成对的、两种略微不同颜色的光子开始同时到达他们的探测器。他们在 7 月份的《自然·光子学》杂志上报告了他们的发现。
这种违反直觉的效应的原因是，单个原子是熟练的多任务处理者。通过不同的基本过程，它们可以同时散射多种颜色，就像危险的交通信号灯一次发出所有三种颜色一样。然而，由于这些过程之间的量子干涉，观察者一次只能看到交通信号灯的一种颜色，从而维护了道路上的秩序。
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这项实验也为新型量子信息应用铺平了道路。当最亮的颜色被阻挡时，同时弹出的光子会相互纠缠，即使它们在很远的距离上分离，其行为也保持同步。这为量子通信和信息处理提供了一种新工具，其中纠缠光子对可以用作量子密码术中的分布式密钥，或将信息存储在量子存储设备中。
多任务处理——理论上
原子对其与光的耦合可能出人意料地挑剔。根据其组成电子的不同排列方式，不同元素的原子都表现出对其强烈散射的光颜色的明显偏好。证明这一点就像用激光照射原子一样简单，激光调谐到与该原子散射偏好密切匹配的特定颜色。正如预期的那样，您的探测器将显示原子散射该主要颜色的光子。但奇怪的是，散射的光子会一次一个地流入探测器，就像排成单行一样。直到 20 世纪 80 年代初，物理学家普遍接受对这种奇怪效应的一种幼稚的解释：光子似乎排队到达，因为原子一次只能散射一个光子。
然而，在 1984 年，两位研究人员深入研究了控制这种现象的数学，发现现实远比这复杂得多，而且本质上更具量子性。他们推论，原子实际上同时在做很多事情：不仅散射单个光子，而且还通过完全不同的过程散射光子对、三光子和四光子。然而，由于这些过程之间的量子干涉，一次只有一个光子到达探测器。
规则干涉发生在两个波之间，例如池塘上的涟漪，在波峰和波谷的模式中重叠。量子世界的一个显着特征是，干涉不仅发生在实际波之间，而且还发生在概率之间：通过两条狭缝发送的光子有一定的概率穿过左狭缝，也有一定的概率穿过右狭缝。两条可能的路径相互干涉，形成波峰和波谷的模式。挡住任一条狭缝，模式就会消失。“我喜欢告诉我的学生，‘想象一下，你想阻止窃贼进入你的房子并进入客厅。只需打开两扇门，然后你就会发生相消干涉，小偷就无法进入客厅，’”物理学家让·达利巴德开玩笑说，他是 1984 年论文的合著者。
然而，在达利巴德的模型中，这种干涉绝非玩笑。它实际上发生在单光子和多光子散射这两个基本过程之间。它不是发生在空间中，而是发生在时间中，以至于对于两个光子同时到达出现概率谷。因此，原子执行多任务，但它的执行方式看起来可疑地像只做一件事。
被当场抓住
达利巴德对多任务原子的复杂描述在相对默默无闻的状态中沉寂了很长时间，直到最近。“我很高兴柏林的研究小组找到了这篇论文。我不知道他们是怎么做到的，”他说。从柏林研究人员的角度来看，他们对达利巴德及其合著者、物理学家塞尔日·雷诺引入的反直觉理论着迷。“当我们开始深入研究 20 世纪 80 年代的旧文献时，我们真的很感兴趣，”洪堡大学柏林分校的前博士后研究员、最近这项工作的合著者马克斯·谢默说。
谢默和他的同事看到了最近开发的技术在实验上检验这一理论的潜力。首先，他们将一团铷原子冷却到略高于绝对零度。然后，他们使用光镊——一种聚焦足够紧密的激光束，可以抓住非常微小的物体——来隔离和保持一个原子。接下来，他们用另一束调谐到铷散射偏好的激光照射该原子，并将一个透镜放置在一侧，以收集散射的光并将其导入光纤。
为了阻挡最亮的颜色，研究人员将光引导到一个由光纤环制成的微调滤波器中。环的长度经过精确选择和调整，仅对一种颜色的光产生相消干涉。当光路中包含此滤波器时，他们看到最亮的颜色消失了。正如达利巴德和雷诺所预测的那样，两种略微不同颜色的光子突然开始成对同时到达探测器。
通过阻挡最亮的颜色，从而使原子的单光子生成过程离线，谢默和他的同事能够看到另一个过程在起作用，而没有主要原子产生的相消干涉——很像交通信号灯在红色被阻挡时同时发出绿色和黄色。
切实的希望
原子以成对形式散射光子的“第二项任务”可能在量子计算和通信中派上用场。一旦最亮的颜色被阻挡，同时到达的光子对就会相互纠缠——纠缠是使量子方法优于经典方法的并非秘密的要素。
纠缠光子对可用于在广阔的距离上共享量子信息，或在不同介质之间传输量子信息。方便的是，使用这种技术产生的光子对具有非常精确的颜色，而不是像传统方法产生的光子对那样分散在更大的彩虹块中。谢默说，这使得它们特别适用于在量子存储设备中高效存储量子信息，这反过来又可能导致更强大的量子通信网络。
此外，这些光子对还具有其他来源无法提供的独特类型的纠缠：时间同步。“有一种现有的产生纠缠光子对的技术，”量子光学专家玛格达莱娜·斯托宾斯卡说，她没有参与这项工作。“但这是一种不同的自由度，因此可以用于不同类型的应用。因此，它拓宽了高效产生纠缠光子对的范围。我认为这很酷。”
理论预测，光子对并不是故事的结局。原子还在同时散射三个、四个等等的纠缠光子。阻挡这个“交通信号灯”上的红色不仅使黄色和绿色透射出来，而且还使蓝色、橙色以及更多颜色透射出来。以这种方式创建的纠缠光子簇可能用作基于光子的量子计算的资源。“这个系统就像一个量子关联的宝库，”英格兰伍尔弗汉普顿大学光与物质相互作用教授法布里斯·P·劳西说，他审查了最近的研究，但没有参与研究。“一切都在那里。”