科学家实现单分子间的信号传送

据美国物理学家组织网近日报道，瑞士苏黎世联邦理工学院和德国马克斯·普朗克研究所的科学家用单个光子激发单个分子，实现了两个单分子间的信号传送。在实验中，可让单个分子模拟光频，将单光子流传递给相距数米的另一个分子，如同两个站点之间的无线电通讯。这为开展以单光子作为量子信息载体，由单个发射器进行信息处理的进一步研究铺平了道路。相关研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

过去20年，科学家已证明能探测到单个分子，也能生成单光子。然而，单个分子发现并吸收单光子的几率很低，由光子激发分子仍难以捉摸，因而通常需要每秒释放数十亿光子来轰击分子，才能从中获得一个信号。规避这一物理学难题的一般方式是，在原子周围构建一个腔洞，使光子能够长久囚禁其中，以保持两者良好的互动几率。

而此次实验的挑战之一，就是获取具有适当频率和带宽的单光子来源。科研小组利用了一个事实：当一个原子或分子吸收单光子时，它将过渡到激发态。在几纳秒后，激发态将衰变为最初的基态，并放射出单个光子。

在实验中，研究人员将两个嵌入有机晶体之中的荧光分子样本冷却至零下272摄氏度。每个样本中的单个分子都能由光谱选择结合空间。为了生成单光子，单个分子将从“源头”样本中激发而出。当分子的激发态衰变时，放射出的光子将紧紧聚集于距离几米之外的另一个“目标”样本之上。为了保证样本中的单个分子能够“看到”入射的光子，研究小组必须保证它们处于同一频率。此外，珍贵的单光子也需要与单个目标分子进行有效地互动。

科学家表示，这是两个量子光学天线之间长距离通讯的首个例子。单个分子一般大小为1纳米，而聚集的光束却不能小于数百纳米。这通常意味着大多数的入射光都会环绕分子进行运动，而无需“看见”对方。然而，如果入射光子与分子的量子力学过渡产生共鸣，在这个过程中，分子可像天线一般发挥作用，抓住其附近的光波。