分子高速摄像机纠缠光子实现拉曼光谱

近年来，两项前沿技术迅速发展：量子纠缠光源和超快受激拉曼光谱。

量子纠缠是一种独特的现象，根植于量子力学原理，其中粒子在很远的距离上表现出瞬时相关性。该领域在量子通信、量子传感和量子计算领域引起了极大关注，甚至获得了2022年的诺贝尔物理学奖。

相反，受激拉曼光谱是一种用于研究分子振动特性和相互作用的现代分析方法，为分子精细结构提供了宝贵的见解。其应用范围涵盖化学分析、生物医学研究、材料科学和环境监测等多个领域。

通过结合这两种技术，一种用于研究复杂分子材料的异常强大的分析工具应运而生。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由香港城市大学物理系张哲东教授和欧哲宇教授领导的科学家团队开发了一种利用量子光场的超快受激拉曼光谱的微观理论。

这项创新技术利用纠缠光子源的量子优势来提高光谱信号的时间和光谱分辨率。此外，它还能对分子系统内发生的超快过程进行“高速成像”。本文旨在逐步引导读者了解这一突破性的概念。

什么是受激拉曼光谱?

受激拉曼散射是拉曼过程家族中的一员，是多光子相互作用中的典型现象，与量子光场紧密相关。它基于入射光与样品分子之间的相互作用，导致散射光的频率发生偏移。该过程涉及入射光与分子之间的能量转移，散射光的频率偏移与分子振动能级相关。

受激拉曼光谱的关键突破在于其超快的处理能力。传统拉曼光谱需要大量的数据采集时间，而受激拉曼光谱利用超短激光脉冲快速获取大量数据点，有助于快速检索关键的分子信息。

为什么是量子纠缠光子源?

量子纠缠光子源是受激拉曼散射(一种双光子过程)的重要组成部分。这些源提供纠缠光子对，这些光子在与物质相互作用时会诱发受激拉曼散射。

此外，量子纠缠光子源还具有非经典性质，例如光子对在时间、频率或偏振方面的相关性。这打破了经典光的限制，并显著提高了光谱信号的频率和时间分辨率。

作者强调了利用纠缠光子源的几个优点，指出分子主动充当拉曼泵浦和探测场的光束混频器，而不是单独充当光散射的被动分束器。

利用纠缠，量子超快受激拉曼光谱实现了超分辨光谱，其时频尺度超出了经典界限。此外，多光子量子干涉使光谱信号具有前所未有的选择性，从而允许选择性过渡路径到分子关联函数。

高速摄像机拍摄的PBI分子信号光谱。来源：Light:Science&Applications(2024)。DOI：10.1038/s41377-024-01492-4

分子“高速摄像机”

某些分子系统表现出超快过程，例如电子转移和能量重新分配，发生在飞秒时间尺度(10-15秒)内。了解这些快速运动对于推进成像设备、能量转换和量子计算至关重要。然而，时间和能量尺度的限制阻碍了对这些超快过程的研究。

在本研究中，研究人员可以调整非线性过程的特定参数(例如泵浦光的光谱宽度和非线性晶体的厚度)，以产生具有飞秒级关联的纠缠光子对，同时保持它们的能量(频率)关联。

这些产生的光子对满足受激拉曼散射所需的能量转移条件，当这一能量转移过程与光子敏感分子中发生的超快过程耦合时，携带该过程信息的相应信号就会出现在光谱中，从而实现分子的高速成像。

量子光谱学的展望

未来量子光谱技术的进步有望为室温量子物理和量子调控领域带来重大突破，并推动更高效、稳定的量子光源产生技术的发展，为光通信、量子计算、量子传感等领域注入新的活力。

此外，量子光谱学衍生的高效、精确的光谱测量和分析方法有望在材料科学、化学反应和生物医学研究等各个领域发挥重要作用。这项研究只是展示了量子光谱学潜力的一瞥。

利用该技术可以更深入地了解分子结构分析和动态观察，推动相关领域的重大进展。

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