宇宙是通过光子被照亮的，光子是组成光的微小的单个粒子，但它们之间不相互作用。为了让它们看到光，芝加哥大学的一个物理学家小组建立了一个陷阱来帮助光子相互反弹。
他们的光子对撞机，在3月19日出版的《自然物理》杂志上有描述，是使光子像其他粒子(如电子)一样运动的最新努力——这是朝着更好地理解和控制量子系统迈出的一步，而量子系统有一天可能会表现为一种具有新特性的技术。
量子系统的行为遵循着奇怪的规律，这些规律支配着宇宙中最小的粒子，比如电子。科学家们越来越有兴趣探索利用粒子奇特行为的新方法，比如同时处于两种状态，然后只在测量时选择一种状态。
乔纳森·西蒙是纽鲍尔家族的物理学助理教授，也是詹姆斯·弗兰克研究所的成员。大多数电子系统都使用电子作为运动部件，但是光子可以像电子一样轻松地显示量子特性——光子的特性既可以作为技术提供优势，也可以作为模型来理解更光滑的电子。因此，他的团队想要操纵和叠加光子来从光中构建物质。
“从本质上说，我们想把光子系统做成一种量子乐腿子爆炸材料，这样你就可以更容易地研究和梳理出基本的量子设计原则，”西蒙说，他也是分子工程研究所的研究员。
但是因为光子没有质量，没有电荷，也没有寒意——它们总是想要以光速传播——所以它们的行为就像其他粒子一样需要一些巧妙的诡计。
两年前，西蒙的实验室找到了一种让光子表现得像在磁场中的方法。下一个挑战是让光子对彼此的存在做出反应，而光通常不会。
在他们的实验室里，科学家们用微弱的激光将光子发射到一个陷阱里:一系列的镜子使光子在里面不停地反弹。光子与一团铷原子相互作用，而铷原子是准备好的，因此一旦云中任何一个原子吸收了光子，其他原子就不能。这就排斥了它们后面的其他进来的光子——就好像它们在“碰撞”一样。
这为我们提供了一种新的方式来理解一些我们知之甚少的量子特性，比如纠缠，也就是两个粒子连接在一起，即使在很远的距离上也处于相同的状态。
“我们对什么样的纠缠导致什么样的性质没有太多的直觉，”西蒙说，“所以如果我们能理解一个类似的系统，那就能给我们一些启发。”
人们还对利用光子系统进行超安全通信和制造计算机感兴趣。西蒙说，研究小组的下一步是把这个装置和之前的装置结合起来，产生一组相互作用的光子和磁场。
这项研究的第一作者是芝加哥大学研究生贾宁元。其他合著者包括研究生Albert Ryou(现在在华盛顿大学)、Nathan Schine和Alexandros Georgakopoulos，以及博士后学者Ariel Sommer(现在在Lehigh大学)和Logan Clark。
引文:“一个强相互作用的极化子量子点。贾等，《自然物理》，2018年3月19日。doi: 10.1038 / s41567 – 018 – 0071 – 6
资助:美国能源部、国防高级研究计划局、海军研究办公室(多学科大学研究计划)。