近年来，两项尖端技术迅速发展：量子纠缠光源和超快受激拉曼光谱。量子纠缠是一种源于量子力学原理的独特现象，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，受激拉曼光谱代表了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。其应用涵盖化学分析、生物医学研究、材料科学和环境监测等各个领域。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进行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增强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概念。
一、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种典型现象，与量子光场密切相关，其原理是入射光与样品分子相互作用，导致散射光频率发生偏移，这一过程涉及入射光与分子之间的能量转移，散射光频率的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分子信息。
II. 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，当与物质相互作用时会诱发受激拉曼散射。此外，量子纠缠光子源具有非经典特性，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，确实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合器，而不是单独充当光散射的被动光束分束器。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，多光子量子干涉导致光谱信号具有前所未有的选择性，允许选择性过渡途径到分子关联功能。
三、分子“高速摄像机”
某些分子系统表现出飞秒时间尺度(10^-15 秒)内发生的超快过程，如电子转移和能量重新分配。理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，对这些超快过程的研究受到时间和能量尺度的限制。在本研究中，研究人员可以调整非线性过程的特定参数(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，同时保留它们的能量(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。当这种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。
四、量子光谱学的展望
“未来量子光谱技术的进步有望在量子物理和室温量子调控领域带来重大突破，也将推动更高效、更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，量子光谱学所衍生的高效、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冰山一角。通过利用这项技术，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。
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！
