波恩大学的物理学家们开发出了一种通过构造其容器的反射表面来操控光玻色-爱因斯坦凝聚体的方法，从而产生可以在多个量子空间中保持统一状态的超光子。

这一突破为利用光的量子纠缠特性创造安全的量子通信提供了新的可能性，为多方之间不可窃听的讨论和交易铺平了道路。

光的玻色-爱因斯坦凝聚态

当大量的光粒子被冷却到极低的温度，并且同时被限制在一个狭小的空间内时，它们会突然变得彼此无法区分，表现得像一个超级光子。物理学家称这为玻色-爱因斯坦凝聚体，它通常看起来像一个模糊的光点。“然而，我们现在已经在凝聚体上成功地印上了一个简单的晶格结构，”波恩大学应用物理研究所的安德烈亚斯·雷德曼说。

IAP的研究人员通过在一个小容器内填充染料溶液来制造超级光子。容器的侧壁具有反射性。如果用激光激发染料分子，它们会产生在反射面之间来回弹跳的光子。这些光粒子起初相对较热。然而，它们在反射面之间移动时会反复与染料分子碰撞并冷却，直到最终凝结成超级光子。

反射表面对结构的影响

“反射面通常非常光滑，”雷德曼解释说。“我们决定故意在这些面上加入小凹痕，这从形象上来说为光线提供了更多的空间，让光线能够聚集其中。”这实际上在凝结物上留下了结构——就像当你把一个一侧封闭的模具压入沙箱时一样：如果你再把它提起来，你仍然可以在沙子上看到模具的印记。

“通过这种方式，我们成功地创建了四个区域，在这些区域中，冷凝物更倾向于停留，”雷德曼说。这就像你把一碗水倒在四个呈二次型排列的杯子里一样。然而，与水不同的是，超光子并不一定会分裂成四个更小的部分。如果杯子放置得足够近，使得光粒子能够在它们之间通过量子力学来回穿梭，它就会保持为一个单一的冷凝物。

量子通信的潜力

这一特性可用于创造所谓的量子纠缠。如果一个杯子中的光改变了状态，那么也会影响其他杯子中的光。光子之间的这种量子物理相关性是多个参与者之间信息交换（如讨论或秘密交易）不被窃听的基本要求。

“通过有意改变反射表面的形状，理论上可以在20、30个甚至更多的晶格点之间创建玻色-爱因斯坦凝聚体，”雷德曼解释说。“这将使我们能够在讨论中防止许多参与者的通信被窃听。我们的研究首次展示了如何为特定应用而故意创建某些发射模式。这使得该方法对许多不同的技术发展都极具吸引力。”

参考：安德烈亚斯·雷德曼、克里斯蒂安·库尔切德、尼尔斯·沃尔夫、弗兰克·维温格、朱利安·施密特和马丁·维茨于2024年8月30日在《物理评论快报》上发表的《四量子点环中的光子玻色-爱因斯坦凝聚》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.093602

该项目由德国研究基金会（DFG）、欧洲联盟（ERC启动资金）和德国航空航天中心（DLR）资助。