香港科技大學杜勝望教授領銜的團隊首次證實單個光子的傳播速度同樣無法超越光速c的限制
6月28日消息，最近，科學家成功地得到波形可控的單個光子並進行實驗，結果發現在單個光子情形下，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銜的一個物理學家小組近日在《物理評論快報》上發表了他們有關單個光子速度的論文。這一研究結果對於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：結果不能先於原因出現。
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”，這也確實是現代物理中最基本的基礎之一。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。這將加深我們對於光的波粒二像性以及量子力學本質的認識。在愛因斯坦提出‘光子’這一名稱100多年後，我們讓人們對於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，全球有數個小組一直在致力於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”，即一個光學脈衝前端的波形屬性，從光子的其它部分剝離開來。先前進行的，基於宏觀電磁波傳播(即包含大量光子)的實驗已經證明，光前驅是一個光學脈衝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，並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，科學家們首先獲取一對光子，隨後讓其中一個光子通過一群低溫狀態下的銣原子，並與此同時使用一台光電調幅器來控制光子的波形。這些原子將產生一種被稱為“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從整個波形中分離出來。當光前驅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。
實驗結果發現，單個光子的光前驅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，而在一種慢光介質中，其速度可以延遲大約500納秒。在這種介質中，光子群的傳播速度同樣會出現減慢，小於光速c。
杜教授解釋說：“在慢光情形下，即光子群速度低於光速c時，其主波形中央部分遵循群速度。而當介質密度增加(即加入更多原子)之後，群速度會出現下降。而在快光實驗，或稱超光速實驗中，即群速度大於光速c情形下，其主波形似乎出現了紊亂，並且不再遵循群速度。我們現在確定主波形的傳播速度無法超越光前驅，即光速。”
這一實驗結果和先前的研究相符，這些研究對未經分離的單個光子光前驅和主波形進行了分析，並報告了一種震蕩結構。這種震蕩結構可以用光前驅和稍有延遲的主波形之間產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於量子信息傳播機理的理解。
“由於光前驅的上升波峰振幅在任何介質中都是無損的，只要確保其上升邊緣時間無限小或者近於0。此時光前驅甚至可以應用於吸收介質中的光學通信，如水下光學通信等等。”不過他同時也指出，在實際實驗中，光前驅還存在一些損耗。
杜教授坦言。由於受現有技術手段的限制，光前驅通訊仍然無法進行實際應用。但是他相信這項技術將不斷改進，並最終挑戰現有的通信技術。
“在未來，隨著光電子技術進步到步進時間縮短至小於10飛秒時仍然能被高速光探測器直接檢測到，那麼光前驅技術將在光學通訊領域中大顯身手；當然，單光子光前驅將可以被應用於量子通訊技術之中。”
他表示：“有人可能會說現在我們就已經有了飛秒激光器，它們可以產生時長僅數飛秒的脈衝，但是我們還無法在這些脈衝山加載信息。並且在現有技術條件下，光探測器也還無法對這樣的脈衝進行直接的檢測。”(晨風)