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量子前沿 | 光子，究竟是什么？
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前言：基础研究是科技创新的基石。鉴于此，光子盒增设“量子前沿”全新栏目，旨在介绍量子科技的一系列基础技术、相关进展及现状前景。
光子可能是我们最熟悉的基本粒子。这种粒子以光速传播，每天从太阳、月亮和星星上向我们袭来。一个多世纪以来，科学家和工程师们利用它们的集合体照亮了我们的城市，现在又照亮了我们的屏幕。
一百年前，爱因斯坦提出了光子的概念。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.19053220607
在他的“奇迹之年”（1905年）所写的论文中，获得诺贝尔奖委员会赞誉的不是他提出狭义相对论的那篇，而是他提出光量子（后来称为光子）概念的那篇。这篇论文常常被说成是爱因斯坦在分析了光电效应后得出的光子概念。然而，真实情况往往更加有趣。
爱因斯坦在其开创性论文“Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt”（关于光的产生和转化的启发式方面）中得出光子概念的方式，与人们普遍认为的相反，并不是通过光电效应。
相反，爱因斯坦将充满给定体积的理想气体的熵与充满空腔的辐射的熵进行了比较。参照玻尔兹曼提出的熵与概率之间的联系，就很容易理解气体熵对体积的对数依赖关系。由于气体粒子占据较小体积的概率较低，这种状态的阶数较高，因此熵值较低。有趣的是，对于辐射充满空腔的情况，爱因斯坦仅仅使用了维恩黑体辐射密度，而已知只有高辐射频率才是正确的。
当爱因斯坦观察到空腔中光的熵随空腔体积的变化与气体熵的变化完全相同时，他提出了至关重要的见解。根据这一观察结果，他提出光也由粒子组成——称之为光量子。他明确指出，这只是一种启发式观点，而不是具有逻辑约束力的结论。直到论文的最后一章（共八章），爱因斯坦才终于谈到光电效应，提出了光量子可能产生的影响。他指出，这自然可以解释为什么在光致发光中发射的光波长总是大于吸收的光波长：因为单个光粒子被吸收，除非提供额外的能量，否则发射的光粒子的能量一般都较低。
最后，爱因斯坦在谈到光电效应时指出，通过莱纳德（Philipp Lenard）测得的发射电子的能量可以用光量子来定量地理解。他做出的唯一但至关重要的预测是，电子的最大能量必须随入射光的频率呈线性变化。这一预言在十年后被密立根（Robert Andrews Millikan）通过实验高精度地证实。密立根可以从测量曲线的斜率中得出普朗克常数h的值，该值与黑体辐射的早期测量值精确吻合——这是对量子概念最有说服力的证实之一。
密立根后来回忆说：“我花了十年的时间来检验爱因斯坦1905年的方程，与我的期望相反，我不得不在1915年断言，尽管这个方程不合理，但它还是得到了明确的实验验证，因为它似乎违反了我们所知道的关于光的干涉的一切 。”事实上，尽管密立根毫无疑问地证明了爱因斯坦方程的有效性，但他断然拒绝将爱因斯坦的光量子假说作为对方程的解释。直到1923年康普顿效应的发现，密立根才和许多其他物理学家一样，接受了爱因斯坦的光量子假说。这些实验为电子弹性散射的具体情况确定了单个光量子的能量和动量守恒，从而最终明确了爱因斯坦1905年的概念不仅仅是“启发式”。
一个引人入胜的讽刺是，爱因斯坦时代人们所熟知的光电效应，无需假定光（或用现代术语来说，辐射场）是量子化的，也能被理解。只要假设表面只能吸收或发射能量量子的光就足够了。更广义地说，许多被认为是由于光的量子性质而产生的现象，实际上可以通过使用经典电磁场并假设只有吸收和发射过程是量子化的来解释。最简单的方法是，假设吸收体由振荡器组成，而振荡器只能以量子化的数据包吸收和发射辐射。在这种半经典理论中，只有原子是量化的，而电磁场仍然是经典波，普朗克和玻尔就是这种半经典理论的最初倡导者。
玻尔甚至在后来被驳斥的玻尔-克拉默斯-斯莱特（BKS）理论中对康普顿效应进行了波理论解释。然而，事实证明，半经典思想无法解释所有的实验观察结果。例如，实验表明，光电效应中辐射能量的积累时间没有下限，这表明能量瞬间转移，如粒子样相互作用所预期的那样；其他例子还有与量子纠缠有关的相关实验，原则上，定域经典理论无法模拟量子纠缠。
奇怪的是，爱因斯坦与波多尔斯基和罗森在1935年出于完全不同的原因首次讨论了这种相关性，而且显然没有意识到这篇著名的论文最终会为光子假说提供另一个独立的证明。
然而，在量子力学本身得到充分发展之前，肉体理论与干涉之间的明显冲突是无法解决的。一旦知道了薛定谔和海森堡的量子力学公式，这些公式显然应该应用于电磁空腔振荡器，并最终应用于场本身。QED同时容纳了干涉和量子化。它的场建立在麦克斯韦方程的基础上，由整数光子构成。QED给出了光子的基本特性：光子没有静止质量，或者说，以真空光速运动。任何有限的静止质量都会使真空色散并改变库仑定律。实验表明，光子质量的上限约为10-50千克；光子还被预测为零电荷，实验上限约为10-17e。
爱因斯坦对辐射熵的观察与光子的量子统计密切相关，从玻色和爱因斯坦的研究中我们知道光子是一种玻色子。此外，由于电磁辐射的横向性以及光子静止质量为零，我们知道沿着光子的线性动量只允许+1和-1的自旋特征状态。这就产生了光的两种正交偏振。
最后，在现代场论中，光子是电磁相互作用的交换粒子，它是规玻色子的第一个例子，最终导致了构成当今标准模型的规范场论（Gauge Theory）。
自1905年以来，光子已经走过了漫长的道路：因为最初人们认为它只是一个“数学把戏”或没有任何深层含义的概念。但是，我们今天所说的“光子”究竟是什么意思，又有哪些实验证据来支持光子的概念呢？
1）作为粒子和波的单光子
“光子”一词的基本含义是，辐射只存在于量子化的能量包中。这与半经典辐射理论形成鲜明对比：后者认为物质受量子物理学支配，而辐射场则是经典的。
区分光量子理论和半经典理论的一个重要实验是使用入射到分光镜上的单光子流。半经典理论预测，输出光束中的两个探测器有时会重合；根据该理论，记录计数的概率与电场的平方成正比。相比之下，全量子理论则预测两个探测器永远不会重合。
1974年，克劳瑟（2022年诺贝尔物理奖得主John. F. Clauser）使用成对发射光子的光源，通过实验证实了量子力学预测的统计量。在这里，两个光子中的一个在触发探测器中记录下来，表明第二个单光子可用于实验。在克劳瑟的实验和其他早期实验中，光源是一个原子级联，在中间态的生命周期内，两个光子一个接一个地发射出去，而中间态的生命周期一般都很短。
如今，光子对产生的首选来源是自发参量下转换（SPDC）过程，即频率倍增的逆过程。SPDC和倍频都是非线性光学过程。在倍频过程中，两个光子被转换成一个能量更高的光子，而在SPDC过程中，来自泵浦激光束的一个光子被自发地转换成两个光子，并同时出现。在这里，两个光子中一个光子的登记也可以作为触发器，指示第二个光子已经产生。由于高阶发射过程可以忽略不计，因此单光子态近似于单光子态。
爱因斯坦很早就批评了量子物理学中随机性的新本质，最令人难忘的是他说过“上帝不掷骰子”。鉴于这种随机性，他还说过，比起物理学家，他更愿意做一名赌场雇员。后来，他发现人们可以在单光子和分光镜的基础上构建随机数发生器，正如刚才所描述的那样，对此他又会作何评论呢？
——这样的量子随机数发生器完全可以用于赌场，因为它的随机序列质量很高。
克劳瑟的实验首次展示了亚泊松光子计数统计，这只有在光量子理论中才能理解。进一步的实验还展示了其他纯量子效应，如在共振荧光实验中观察到光子反束缚现象。这些早期实验使用原子束作为光源，原子数量的波动不可避免，因此发射统计量也不可避免。
2）单光子干涉
单个光量子干涉是最迷人的现象之一。
将粒子一个一个地送入双缝组件，就能观察到干涉模式；然后在观察平面上收集许多粒子。在最简单的此类实验中，可以将光强调暗到足以使仪器内每次只有一个光子。泰勒（Geoffrey Ingram Taylor）首先证明了这一点。在他的实验中，泰勒只是在一个盒子里放置了一个非常暗的光源、一个双缝组件和一个光板。
但是，这种实验的结果可以很容易地从半经典的角度来理解，而不必假定光子的存在；也就是说，不必像上面讨论的那样对电磁场进行量化。
格兰杰（Philippe Grangier）等人也利用原子团发射的光子对进行了单光子干涉实验，他和同事们使用马赫-曾德尔干涉仪来观测真实的单光子干涉。上图显示了单光子双缝实验的结果，其中的光子源是参数下变频。光子的强度极低，但逐个光子累积的干涉图却显示出完美的干涉条纹。这类实验清楚地证实，量子态不仅仅是粒子集合的统计属性；事实上，它甚至能对单个粒子做出非常精确的预测。
按照费曼的观点，量子力学的预言不仅适用于粒子集合，而且适用于单个粒子。这一点在每个单个光子都“知道”自己永远不会出现在干涉条纹的最小处这一发现中得到了最好的诠释。
3）双光子干涉
光子的玻色性带来的一个有趣结果就是它们的串扰行为。当两个光子（每个输入端口一个）入射到一个分光镜上时，就能最直接地看到这种现象。
如果两个光子不是同时到达，那么每个光子都有50%的几率在分束器之后任选其一，而与另一个光子无关。这就产生了下图中所示的巧合；但是，如果光子同时到达，它们就会变得无法区分，最终会随机地一起进入任一光束。在实验中，分束器输出端的光子重合检测率受到监控。由此产生的重合率下降称为“洪-欧-曼德尔（Hong-Ou-Mandel）下降”。
这就是量子干涉效应。只有在两个光子都被反射或传输的情况下，一个光子才能到达每个探测器。量子物理学中的探测概率由概率振幅的平方给出，这与实际电磁场的平方不同。奇怪的是，这两种可能性的概率振幅会相互产生破坏性干扰。这是因为每个光子在反射时都会经历众所周知的90度相位跃迁。这意味着“两个光子同时反射”的状态相对于“两个光子同时发射”的状态的总相位为180度。
费米子会有不同的表现，因为它们的量子态是不对称的，这从它们的初始状态中的负号可以看出。在这种情况下，上面引入的两个振幅会发生建设性干涉，两个粒子总是在不同的输出端。有趣的是，如果两个光子的自旋处于非对称状态，也能观察到这种“费米子”行为。
后一项观察结果证明对许多量子信息应用、特别是量子密集编码至关重要。
4）互补性（Complementarity）、信息和量子物理学
互补性——即波与粒子概念的互斥性，引发了激烈的讨论。其中，爱因斯坦和玻尔之间的早期讨论提出了关键问题。爱因斯坦认为，应该可以观察到干涉图样，同时知道每个光子经过哪个狭缝，而玻尔却总能证明，能够确定粒子路径的仪器必然构造成不会出现干涉图样，反之亦然。
如今，人们认为，只有在无法确定粒子路径的情况下，才会出现完美的干涉图案。显然，部分路径信息和非完美干涉条纹的中间情况也是可能的。在所谓的延迟选择实验中，是否观察路径信息的决定可以延迟到粒子已经进入干涉仪装置之后，甚至在粒子被记录之后。这再次证明了量子态可被视为可能测量结果概率信息的表征，其中可能包括相互排斥的结果，即互补的结果。
罗切斯特的曼德尔（Leonard Mandel）研究小组进行了一项实验，支持量子干涉的信息方面，该实验是关于光量子性质的一系列突破性实验的一部分。在实验中，他们利用两个下转换晶体发射一对光子。一个光子通过一个改良的马赫-曾德尔干涉仪，另一个光子的情况决定了第一个光子是否出现干涉。因此，仍然普遍存在的观点，即确定粒子所走路径的行为会扰乱其状态，足以破坏干涉，是站不住脚的；关键因素在于路径信息是否可用：是否有人注意读出路径信息并不重要。
事实上，在一些实验中，当粒子通过双缝后，第二个粒子所携带的路径信息就会被破坏。在这里，仍然可以观察到干涉图案——双缝衍射图样就是以这种方式获得的。
5）非定域性、贝尔态和GHZ
爱因斯坦不仅批评量子力学上述随机性的新作用。他的批评走得更远，因为他坚持认为存在一个真实的事实世界，而物理学的作用就是描述这一现实——这一批判构成了他与波多尔斯基和罗森于1935年发表的著名文章的基础。
论文链接：https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.47.777
爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）论文利用了纠缠量子态所显示的相关性。贝尔在1964年发现，量子物理学对这些相关性的预测与定域现实的世界观不一致。这种经典直观的观点认为，对物理系统的测量结果是由测量之前且独立于测量之外的系统物理特性决定的（现实主义），而且测量结果不能依赖于空间类分离区域的任何行为（爱因斯坦定域性）。
量子相关性太强，任何此类模型都无法再现。经过弗里德曼（Stuart J. Freedman）和克劳瑟的初步实验，以及阿斯佩特（Alain Aspect）对实验的进一步完善，证实了量子预言，但仍有两个漏洞。因此，定域现实的观点至少在逻辑上仍然是可能的。
第一个漏洞，即所谓的“通信漏洞”，是指甚至在两个光子被记录之前，仪器的设置就可以被传送到探测器和/或光源。
1982年，阿斯佩特利用周期性切换的随时间变化的偏振器设置，进行了一次漂亮的实验来弥补这一漏洞。威斯（Gregor Weihs）等人的实验则更果断地排除了这一漏洞，在该实验中，测量设置随站点之间的距离而随机快速改变。这就只留下了所谓的探测漏洞，它意味着尽管所有光子对都遵守定域现实主义，因而与量子物理学不符，但被探测到的小部分光子对却证实了量子力学。由于探测效率远非理想，因此不能排除这种推理。
后一个漏洞在一项关于空腔中两个离子间纠缠的实验中被堵住了，在该实验中，几乎所有纠缠对都能被探测到。因此，尽管剩下的两个漏洞现在都已在不同的实验中被堵住，但逻辑上仍存在一种可能性，即大自然欺骗了我们，在不同的实验中利用了不同的漏洞。尽管没有人会合理地认为大自然会如此反复无常，但未来能同时堵住两个漏洞的实验仍然会很有趣。
定域性原理与量子力学的冲突首先由贝尔在纠缠粒子对上暴露出来，而对于三个或更多纠缠粒子来说，这种冲突就更加突出了。在所谓的GHZ（格林伯格-霍恩-蔡林格）态中，即使是对一个光子的单个测量结果，定域现实主义和量子力学的预测也完全相反。
不用说，实验已经证实了量子预言。
6）光子、原子及其他
如上所述，最初关于量子化的究竟是物质还是辐射的问题，现在终于有了答案，那就是光子。
现在，研究光子与原子之间相互作用的细节已经成为可能。例如，加州理工学院的金布尔（Harry Jeffrey Kimble）研究小组发现，可以观察到原子在与平均不到一个光子的场相互作用时所经历的相移。巴黎高等师范学院的研究小组能够在被捕获在高精细空腔中的单光子与穿过空腔的原子之间构建纠缠态。
此类实验还被用于展示一些有趣的其他方面，例如时间分辨量子干涉现象、用单光子捕获原子或量子非破坏性测量（其中单光子的存在可以在不破坏光子的情况下确定）等等。
在新兴的量子信息技术领域，两个基本子领域是量子通信和量子计算。近年来，光子已经开始发挥作用，特别是在新的通信概念中。
在量子密码学中，对量子系统的不同测量的互补性被用来在两个伙伴之间建立安全密钥。在量子隐形传态中，利用纠缠态作为量子信息通道，可以将独立粒子的量子态从一个系统传输到另一个系统。
谈到未来的挑战和发展，光子很可能在量子通信中扮演重要角色。纠缠是量子信息处理的重要资源，此外，只有光子才有可能在实验室受保护的环境之外实现远距离传输。已经有实验使用玻璃纤维将纠缠态传输超过10公里，并在自由空间中穿越多瑙河。利用平均不到一个光子的微弱激光脉冲进行的量子加密，已在自由空间进行了超过20千米的距离测试；甚至在白天、以及在光纤中进行了67千米的物理距离测试。
此外，通过卫星进行量子通信是覆盖全球距离的唯一可能途径；而这种基于卫星的量子通信很可能在未来十年内实现。
在光子思想的技术应用方面，最先进的是量子密码学。原型设备已经投放市场，适用于安全行业的系统开发也在顺利进行中。量子隐形传态有朝一日可能会在尚未开发的量子计算机之间提供有用的通信链路。
量子中继器将是量子隐形传态在这个意义上的一个重要延伸，它是纠缠交换（即纠缠态的远距传输）和量子信息局部原子记忆的结合，也利用了原子-光子界面。这些应用的发展与量子计算机本身的发展密切相关。
虽然光子是量子通信的不二之选，但对于量子计算来说，在原子、离子或固态设备等局部系统中实现似乎更可取。然而，令人惊讶的是，即使是实现量子计算算法，光子也提供了有趣的可能性，
尽管长期存储光子存在相当大的困难。在发现某些门可以通过远距离传输实现之后，一个重要突破是克尼尔（Emanuel Knill）等人提出，即使使用线性光学元件，也可以实现通用量子计算。根据这些建议，各种量子计算基元已被证明只需光子：包括“条件相移运算”（conditional phase shift operation）、破坏性甚至非破坏性受控NOT（CNOT）门。所有这些方案都使用未纠缠态作为量子门运行的输入。
一种可能更实用的新方法是“单向量子计算机”（one-way quantum computer）的概念，它以完全不同于现有量子计算方案的方式实现通用量子计算。这里的想法是从一般的高度纠缠多量子比特态开始。然后，通过应用一连串简单的单粒子测量来执行计算，这些测量是针对所实施的算法的。这种新方法使用了高度纠缠的群集态，最近已经用光子实现了这种状态，并应用于演示基本量子门。纠缠多粒子态在其他新的量子信息协议中也有重要作用；例如，量子纠错就是基于这种状态。
如今，世界各地的许多实验室都在努力开发量子通信设备和量子计算机的各种物理实现方法，究竟哪种技术会是最好的，我们拭目以待。然而，我们坚信，在未来的某一天，目前的经典信息技术将被量子技术所取代，即使这只是因为计算机芯片中开关元件的不断微型化。
未来的技术发展需要新的单光子态源。最基本的单光子源是在特定时间而不是随机产生一个光子的单光子源。过去几年中，这一领域从不同方向取得了重要进展，包括空腔中的原子和固态器件，如空腔耦合量子点。更广义地说，如果有能按需产生任何特定多光子态（甚至是纠缠态）的光源，那将是一件好事。在空腔量子电动力学（QED）的背景下，已经进行了这方面的有前途的实验。
此外，我们还需要更高效的光子探测器，其工作波长范围要比现有的探测器更广。一个特别有趣的发展是能够清晰区分1、2、3......N个光子的探测器；在遥远的未来，能够确定性地识别任意N光子状态的探测器将大有用武之地。
我们只能对光子概念以及量子光学的广阔影响和应用略窥一二。这些实验包括量子瞬移、相空间量子光学和量子密码学的连续可变演示等等。但总的来说，光子作为单个粒子的概念在这里并不那么重要。
显然，爱因斯坦1905年提出的光子概念产生了巨大的影响；同时，爱因斯坦对量子物理学的各种批评也应受到高度赞扬，这些批评是他与同时代人（包括玻尔）早期辩论的一部分。它们引发了一系列与单个量子系统有关的理论和实验：在这方面，光子实验发挥了先驱作用。尽管这些实验现在已经排除了爱因斯坦的观点，但却产生了量子信息处理的新领域。
研究人员现在可以比以往任何时候都更巧妙地控制光子。在位于马里兰州的美国国家标准与技术研究院（NIST），物理学家创造并单独操纵光子。在实验室里，通过用激光照射定制设计的晶体，Paulina Kuo产生了双光子，她可以进一步将其分离成单光子；将这些光子引向某些材料，这些材料会吸收粒子产生不同颜色的光子，这样她就能有效地改变光子的颜色，同时保留光子中编码的信息。
例如，她设计了一种晶体，可以将输入光子的频率提高一倍，从而实现红光和红外光之间的转换。她说：“你可以把两个光子融合在一起，或者把一个光子分成两个。甚至更高阶的过程。你可以把三个光子融合成一个，或者把一个光子分裂成三个。”
这种单光子技术将成为未来量子互联网的骨干，量子互联网是一个拟建的全球设备网络，用于传输以单光子和其他量子粒子编码的数据。这些数据将以粒子的量子特性（如光子的偏振）来表示。与只能表示为0或1的经典数据不同，所谓的量子信息具有0和1的加权组合值，这使得新的、可能更强大的计算算法和新的加密协议成为可能。
Kuo解释说，量子互联网面临着大量工程挑战，例如信号丢失问题。但研究人员及其政府已经制定了雄心勃勃的计划。2016年，欧盟启动了一项价值10亿欧元的量子技术计划；2020年8月，美国成立了五个量子研究中心，以加速量子技术的发展，并承诺在未来五年内提供高达6.25亿美元的资金。物理学家潘建伟在2016年牵头发射了价值1亿美元的中国量子技术卫星及其后续项目，他提出了到2030年建立全球量子互联网的目标。
许多专家甚至将当前的单光子技术时代称为“第二次量子革命”，在这一范式转变中，科学家们不仅理解了量子力学的反直觉原理（纠缠、叠加和波粒二象性），还能在技术上加以利用。
光子不再仅仅是一个研究对象，而是一种工具。
在物理学家重新评估基础知识的同时，这些新实验也阐明了基础科学与应用之间的联系。Paulina Kuo的量子互联网技术与贝尔纠缠测试中使用的硬件有着相同的祖先。米涅夫（Zlatko Minev）对非线性振荡器的研究帮助他开发了纠正量子计算机错误的方法，兰兹曼（Alexandra Landsman）对分子光电效应的研究可以揭示其电子特性的线索，这最终会为科学家提供一条设计所需规格材料的新途径......
尽管如此，物理学家们仍然无法探究光子的真正本质。
“五十年来，我有意识地苦思冥想，却始终没有找到问题的答案：光量子是什么？”1951年，爱因斯坦曾在一封信中写道：“当然，今天每个无赖都认为自己知道答案，但他是在自欺欺人。”
参考链接：[1]https://spie.org/news/photonics-focus/novdec-2020/what-exactly-is-a-photon?SSO=1[2]https://physicsworld.com/a/what-is-the-lifetime-of-a-photon/[3]https://www.nature.com/articles/nature03280#Sec2
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