最近，科學家成功地得到波形可控的單個光子并進行實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在單個光子情形下，愛因斯坦的理論依舊有效：單個的光子速度仍然無法超越光速c的極限。

由香港科技大學杜勝望教授領(lǐng)銜的一個物理學家小組近日在《物理評論快報》上發(fā)表了他們有關(guān)單個光子速度的論文。這一研究結(jié)果對于最大信息傳播速度理論有著深遠影響，它首次證實單個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)。

愛因斯坦理論中最廣為人知的說法之一就是“光速無法超越”，這也確實是現(xiàn)代物理中最基本的基礎(chǔ)之一。但是到目前為止，實驗僅僅驗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，因此物理學家們一直以來都想證實，在單個光子的情形下，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，我們的實驗結(jié)果為光攜帶信息的最大傳遞速度之爭畫上了一個句號。這將加深我們對于光的波粒二象性以及量子力學本質(zhì)的認識。在愛因斯坦提出‘光子’這一名稱100多年后，我們讓人們對于光子可以看到一個更加清晰的圖景，從而修正之前存在的一些錯誤的或者說誤導性的觀點。”

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

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

為了分離單個光子中的光前驅(qū)，科學家們首先獲取一對光子，隨后讓其中一個光子通過一群低溫狀態(tài)下的銣原子，并與此同時使用一臺光電調(diào)幅器來控制光子的波形。這些原子將產(chǎn)生一種被稱為“電磁誘導透明”(EIT)的效應，這使得科學家得以將單個光子的光前驅(qū)從整個波形中分離出來。當光前驅(qū)和光子的其他波形部分通過第二群銣原子時，科學家們便能分別測量光子的這兩個部分的傳播速度。

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單個光子的光前驅(qū)傳播速度一直保持光速c，這和大群光子的信號速度是一致的。而在任何介質(zhì)中，單個光子的其他波形部分傳播速度均不超過光速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出現(xiàn)減慢，小于光速c。

杜教授解釋說：“在慢光情形下，即光子群速度低于光速c時，其主波形中央部分遵循群速度。而當介質(zhì)密度增加(即加入更多原子)之后，群速度會出現(xiàn)下降。而在快光實驗，或稱超光速實驗中，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法超越光前驅(qū)，即光速。”

這一實驗結(jié)果和先前的研究相符，這些研究對未經(jīng)分離的單個光子光前驅(qū)和主波形進行了分析，并報告了一種震蕩結(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)生的相互干涉效應進行解釋。

除了為單個光子攜帶信息的最大傳播速度之爭畫上一個句號之外，此項研究同時證明了單個光子傳播速度無法超越光速，這一結(jié)果本身也將具有重要的實際意義，因為它能幫助科學家們加深對于量子信息傳播機理的理解。

“由于光前驅(qū)的上升波峰振幅在任何介質(zhì)中都是無損的，只要確保其上升邊緣時間無限小或者近于0。此時光前驅(qū)甚至可以應用于吸收介質(zhì)中的光學通信，如水下光學通信等等。”不過他同時也指出，在實際實驗中，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)通訊仍然無法進行實際應用。但是他相信這項技術(shù)將不斷改進，并最終挑戰(zhàn)現(xiàn)有的通信技術(shù)。

“在未來，隨著光電子技術(shù)進步到步進時間縮短至小于10飛秒時仍然能被高速光探測器直接檢測到，那么光前驅(qū)技術(shù)將在光學通訊領(lǐng)域中大顯身手；當然，單光子光前驅(qū)將可以被應用于量子通訊技術(shù)之中。”

他表示：“有人可能會說現(xiàn)在我們就已經(jīng)有了飛秒激光器，它們可以產(chǎn)生時長僅數(shù)飛秒的脈沖，但是我們還無法在這些脈沖山加載信息。并且在現(xiàn)有技術(shù)條件下，光探測器也還無法對這樣的脈沖進行直接的檢測。”