在20世紀(jì)中葉之前，光在人們心中似乎還只是一種平常的存在。雖然我們知道它可以既是粒子又是波，但它好像并沒(méi)有表現(xiàn)出其他特別離奇的行為。

二戰(zhàn)結(jié)束之后，科學(xué)家們開(kāi)始更多地關(guān)注光的特性。這在一定程度上是受到了過(guò)剩的探照燈的推動(dòng)，這些探照燈可以被轉(zhuǎn)換成廉價(jià)的可用于測(cè)量恒星特性的光探測(cè)器陣列。于是，科學(xué)家們掀起了一場(chǎng)針對(duì)光子的“淘金熱”，他們發(fā)現(xiàn)了光的許多有趣行為。

1987年，一項(xiàng)具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了，它證明了一個(gè)驚人的量子光學(xué)效應(yīng)，那就是當(dāng)兩個(gè)完全相同的光子在同一時(shí)間進(jìn)入一個(gè)分束器時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一些讓人意想不到的效應(yīng)。如下圖所示，當(dāng)兩個(gè)不可區(qū)分的全同光子在同時(shí)間擊中了一面部分反射鏡后，我們雖然無(wú)法預(yù)測(cè)它們接下來(lái)會(huì)往哪個(gè)方向傳播，但卻可以確定無(wú)論它們?nèi)ツ?，都?huì)一同前去。

○ 部分反射鏡中兩個(gè)單光子源之間的干涉：如果這兩個(gè)光子相同（左），那么它們總是同時(shí)離開(kāi)（方向隨機(jī)）；如果光子不同，那么它們有可能以不同的方向離開(kāi)。

這與我們?cè)诮?jīng)典世界中的經(jīng)驗(yàn)是不一樣的，假如世界是經(jīng)典的，那么我們應(yīng)該看到每個(gè)光子的行為都是獨(dú)立的，它們有一半幾率會(huì)選擇向不同的方向傳播。但在量子世界，量子干涉會(huì)迫使它們結(jié)合在一起，導(dǎo)致它們總以相同的方向離開(kāi)分束器。

這種類(lèi)型的干涉只能作用于全同光子，也就是說(shuō)這種干涉的出現(xiàn)對(duì)光源有著非常特殊的要求，它們強(qiáng)烈依賴(lài)于能根據(jù)指令產(chǎn)生單一的、相同的光子的設(shè)備。光子可以通過(guò)顏色（即波長(zhǎng)）、顏色的純度（即相干性)、振蕩電場(chǎng)的方向（即偏振）、空間形狀以及它們到達(dá)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行區(qū)分。縱觀物理學(xué)研究的歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)要?jiǎng)?chuàng)造出這種全同光子是一件極其困難的事，已經(jīng)有許多研究人員為此奉獻(xiàn)了大量的時(shí)間和精力。

現(xiàn)在，科學(xué)家用精妙的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，太陽(yáng)就可以成為這樣一種光源。他們發(fā)現(xiàn)，即使相距1.5億公里，光子之間也可以存在量子干涉。這為在天文尺度上進(jìn)行量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)打開(kāi)了一扇窗戶(hù)。

我們知道，太陽(yáng)放出的光子具有非常廣的頻率和偏振范圍，并且科學(xué)家是無(wú)法控制它們的到達(dá)時(shí)間的。那研究人員是如何將太陽(yáng)變成這樣一種特殊光源的呢？

量子點(diǎn)（Quantum dots）讓這一切成為了可能。量子點(diǎn)是一類(lèi)通過(guò)限制單個(gè)電子來(lái)產(chǎn)生量子行為的微小物質(zhì)點(diǎn)。電子的約束作用能將電子限制在特定的能量范圍內(nèi)，當(dāng)電子要釋放能量時(shí)，就會(huì)發(fā)射出光子。

材料科學(xué)家找到了制造出這種幾乎完全相同的物質(zhì)點(diǎn)的方法，它們能釋放出顏色完全相同的光子。與此同時(shí)，科學(xué)家們還有辦法使它們具有相同的純度、空間形狀和偏振。實(shí)驗(yàn)證明，兩個(gè)量子點(diǎn)是可以發(fā)射出全同光子的。

但是，僅僅如此是不夠的。雖然科學(xué)家可以通過(guò)精妙的控制來(lái)確保量子點(diǎn)能自然地產(chǎn)生相同的光子，但是對(duì)于像太陽(yáng)這樣的不受控的東西，又該怎么做呢？

為了能把太陽(yáng)變成一個(gè)單光子源，研究人員將一個(gè)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡與一系列光纖、濾光鏡，以及光柵結(jié)合在了一起，這些光柵是專(zhuān)為生成與他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中用半導(dǎo)體量子點(diǎn)產(chǎn)生的光子相匹配的光子而設(shè)計(jì)的。如此一來(lái)，他們把持續(xù)從太陽(yáng)捕捉到的光線過(guò)濾，只留下具有正確的顏色、純度、空間形狀和偏振的光子。

○ 實(shí)驗(yàn)裝置。| 圖片來(lái)源：[3]

接著，他們將得到的光子與一個(gè)來(lái)自半導(dǎo)體量子點(diǎn)的光子一同送到一個(gè)部分反射鏡進(jìn)行分束。在這個(gè)過(guò)程中，時(shí)間扮演著非常重要的角色。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求，當(dāng)來(lái)自量子點(diǎn)的光子到達(dá)分束器時(shí)，同時(shí)也只能有一個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的光子撞擊到這個(gè)分束器上。

而太陽(yáng)發(fā)射光子的時(shí)間是隨機(jī)且任意的，并且光子數(shù)量眾多，可用的光子總是不止一個(gè)；但一個(gè)量子點(diǎn)卻只能每10納秒左右發(fā)射一個(gè)光子。因此，研究人員必須丟棄許多來(lái)自太陽(yáng)的光子，直到其平均光子速率與量子點(diǎn)的光子速率大致相同，才可能解決在時(shí)間上存在的障礙。另外，他們將探測(cè)器設(shè)定成只能以特定的時(shí)間間隔打開(kāi)，以此來(lái)檢測(cè)一同到達(dá)的光子。

在這樣的情況下，他們得到了與全同光子實(shí)驗(yàn)幾乎完全一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)兩束光子流在分束器處結(jié)合時(shí)，如果光子能同時(shí)到達(dá)，那么它們有90%的幾率能一同離開(kāi)。而不完美之處源自于量子點(diǎn)有時(shí)會(huì)發(fā)出兩個(gè)光子，且來(lái)自太陽(yáng)的光子流也偶爾會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)光子，如此一來(lái)，便會(huì)使得研究人員無(wú)法觀測(cè)到完美的量子干涉。

但這已經(jīng)是令人極為滿意的結(jié)果了，它表明干涉已經(jīng)超出了經(jīng)典物理學(xué)的預(yù)期，這意味著即便是來(lái)自自然光源的熱光源也可以用于量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)。研究人員還更進(jìn)一步地做到了將來(lái)自太陽(yáng)的光子與來(lái)自量子點(diǎn)的光子糾纏在一起，生成了光子之間的糾纏態(tài)。他們證明，這種糾纏態(tài)顯然違反了貝爾不等式。研究人員解釋說(shuō)，結(jié)果表明，在某些量子加密方案中，陽(yáng)光可以作為一種獨(dú)立的光源。

這是非常不可思議的結(jié)果。它意味著現(xiàn)在我們有了可以把任何老舊的燈泡變成量子源的技術(shù)！研究人員還介紹說(shuō)，來(lái)自太陽(yáng)的單光子的量子特性還將有助于我們理解太陽(yáng)的活動(dòng)過(guò)程，比如磁場(chǎng)行為等等。因此，它不僅可以帶來(lái)顯而易見(jiàn)的技術(shù)應(yīng)用，還具有令人興奮的潛在理論前景。