光是一种电磁波,怎样才能发射1个单光子,并且检测

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  按照经典的麦克斯韦电磁学,光是一种电磁波,是一个交变的电磁场,在真空中的传播速度是30万公里每秒,这也是物质传播速度的极限。

  ●我们通常所说的光,是指肉眼可见的电磁波,它的波长在380~780纳米之间。

  但是,实际上有些动物可以看到波长更长的电磁波。比如说狗就可以看到一部分红外线之外的电磁波,所以在一些黑暗的森林里面,狗会提前发现危险。

  但是,纯粹用电磁波的理论,有一些物理现象,没办法解释,比如说光电效应。

  光照射到金属上的时候,可以让金属释放出电子,但是电子的发射情况只和光的波长有关,和光照射强度没有关系。爱因斯坦因为用量子效率正确的解释了光电效应,在1921年获得了诺贝尔奖。

  

  量子力学对于电磁波的解释:电磁波是大量光子的统计效应。

  光子的能量量子数对应于电磁波的电场分量,而频率量子数对应于电磁波的磁场分量。按照量子力学,每一颗光子都有固定的能量,这就好像每一个玻璃球都有固定的大小一样。

  假如有一大堆的玻璃球装在一个袋子里面,我们怎么样每一次都恰好挤出一个玻璃球呢?

  

  那么,按照这种生活常识中的经验,逻辑应该是这样的:控制这个出口的大小,恰好能够通过一个玻璃球,挤出一个玻璃球以后,立刻关闭这个出口。

  发射一个单光子,也可以按照这样的逻辑。

  也就是说,我们恰好让发射光子的机器,能够输出一个光子具备的能量。

  光子的能量完全取决于它的波长或频率,因为光以光速传播,我们可以用波长的任一频率来描述它。

  光子的能量可以通过普朗克方程是E=h*c/λ=h*f计算得到。

  

  其中:E是光子的能量,h是普朗克常数,c是光速,λ是光子的波长,f是光子的频率,普朗克常数h=6.6261×1034焦耳。

  单光子的能量是很小的,因为普朗克常数非常小。波长为520nm的绿光单光子的能量为2.38ev。由于单光子含有的能量很小,而且尺度也很小,这就增加了控制上的困难。

  我们挤出玻璃球的时候,肉眼可以看到玻璃球,但是我们发射光子时,没有办法看到光子的大小,因为你不可能用一束光去观察光。

  

  所以,我们发射光子的时候,先控制时间,通过时间控制发射能量,来得到一个单光子。这也可以用波长来控制,这两者是等价的。一个激光发射器的功率,除以单光子的功率乘以一秒钟,就是所需要的时间。这个时间会非常、非常、非常的短暂。

  

  理论上,用极短时间的激光脉冲可以产生单光子。但是也有可能产生多个光子,为了屏蔽掉多余的光子,会通过一条很窄的缝,让光场强度在空间上形成弗朗禾费衍射分布,正对缝的正中间照射到一个量子点,激发原子核外电子。核外电子从高能级向低能级回跳的时候,就会发射出一个光子。

  通过缩短激光脉冲的时间,并且调整弗朗禾费衍射光场分布,可以恰好让一个光子的能量落在正中间的原子激发点位上。

  

  通过这个原子激发点位发射出来的光子,就是单光子。相比较于发射一个单光子,检测一个单光子要容易得多。让发射装置透过一个45度倾斜放置的半反射半透膜,当光子打在这个半反射半透膜上,只有两种可能性:50%概率穿过,50%概率被反射。

  

  所以,穿越端和反射端不可能同时检测到光子。

  只要每一次的激光脉冲,只有一端可以检测到光子,就证明了这是一个单光子。这样我们就得到了一个可以发射单光子的实验装置,可以用它来做被称为很恐怖的量子延迟选择实验,以及量子擦除实验。

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