在20世紀中葉之前，光在人們心中似乎還只是一種平常的存在。雖然我們知道它可以既是粒子又是波，但它好像並沒有表現出其他特別離奇的行為。
二戰結束之後，科學家們開始更多地關注光的特性。這在一定程度上是受到了過剩的探照燈的推動，這些探照燈可以被轉換成廉價的可用於測量恆星特性的光探測器陣列。於是，科學家們掀起了一場針對光子的“淘金熱”，他們發現了光的許多有趣行為。
1987年，一項具有里程碑意義的實驗出現了，它證明了一個驚人的量子光學效應，那就是當兩個完全相同的光子在同一時間進入一個分束器時，就會產生一些讓人意想不到的效應。如下圖所示，當兩個不可區分的全同光子在同時間擊中了一面部分反射鏡後，我們雖然無法預測它們接下來會往哪個方向傳播，但卻可以確定無論它們去哪，都會一同前去。
在20世紀中葉之前，光在人們心中似乎還只是一種平常的存在。雖然我們知道它可以既是粒子又是波，但它好像並沒有表現出其他特別離奇的行為。
二戰結束之後，科學家們開始更多地關注光的特性。這在一定程度上是受到了過剩的探照燈的推動，這些探照燈可以被轉換成廉價的可用於測量恆星特性的光探測器陣列。於是，科學家們掀起了一場針對光子的“淘金熱”，他們發現了光的許多有趣行為。
1987年，一項具有里程碑意義的實驗出現了，它證明了一個驚人的量子光學效應，那就是當兩個完全相同的光子在同一時間進入一個分束器時，就會產生一些讓人意想不到的效應。如下圖所示，當兩個不可區分的全同光子在同時間擊中了一面部分反射鏡後，我們雖然無法預測它們接下來會往哪個方向傳播，但卻可以確定無論它們去哪，都會一同前去。
○ 部分反射鏡中兩個單光子源之間的干涉：如果這兩個光子相同（左），那麼它們總是同時離開（方向隨機）；如果光子不同，那麼它們有可能以不同的方向離開。
這與我們在經典世界中的經驗是不一樣的，假如世界是經典的，那麼我們應該看到每個光子的行為都是獨立的，它們有一半機率會選擇向不同的方向傳播。但在量子世界，量子干涉會迫使它們結合在一起，導致它們總以相同的方向離開分束器。
這種類型的干涉只能作用於全同光子，也就是說這種干涉的出現對光源有著非常特殊的要求，它們強烈依賴於能根據指令產生單一的、相同的光子的設備。光子可以通過顏色（即波長）、顏色的純度（即相干性)、振盪電場的方向（即偏振）、空間形狀以及它們到達的時間來進行區分。縱觀物理學研究的歷史，我們不難發現要創造出這種全同光子是一件極其困難的事，已經有許多研究人員為此奉獻了大量的時間和精力。
現在，科學家用精妙的實驗證實，太陽就可以成為這樣一種光源。他們發現，即使相距1.5億公里，光子之間也可以存在量子干涉。這為在天文尺度上進行量子光學實驗打開了一扇窗戶。
我們知道，太陽放出的光子具有非常廣的頻率和偏振範圍，並且科學家是無法控制它們的到達時間的。那研究人員是如何將太陽變成這樣一種特殊光源的呢？
量子點（Quantum dots）讓這一切成為了可能。量子點是一類通過限制單個電子來產生量子行為的微小物質點。電子的約束作用能將電子限制在特定的能量範圍內，當電子要釋放能量時，就會發射出光子。
材料科學家找到了製造出這種幾乎完全相同的物質點的方法，它們能釋放出顏色完全相同的光子。與此同時，科學家們還有辦法使它們具有相同的純度、空間形狀和偏振。實驗證明，兩個量子點是可以發射出全同光子的。
但是，僅僅如此是不夠的。雖然科學家可以通過精妙的控制來確保量子點能自然地產生相同的光子，但是對於像太陽這樣的不受控的東西，又該怎麼做呢？
為了能把太陽變成一個單光子源，研究人員將一個太陽望遠鏡與一系列光纖、濾光鏡，以及光柵結合在了一起，這些光柵是專為生成與他們在實驗室中用半導體量子點產生的光子相匹配的光子而設計的。如此一來，他們把持續從太陽捕捉到的光線過濾，只留下具有正確的顏色、純度、空間形狀和偏振的光子。
在20世紀中葉之前，光在人們心中似乎還只是一種平常的存在。雖然我們知道它可以既是粒子又是波，但它好像並沒有表現出其他特別離奇的行為。
二戰結束之後，科學家們開始更多地關注光的特性。這在一定程度上是受到了過剩的探照燈的推動，這些探照燈可以被轉換成廉價的可用於測量恆星特性的光探測器陣列。於是，科學家們掀起了一場針對光子的“淘金熱”，他們發現了光的許多有趣行為。
1987年，一項具有里程碑意義的實驗出現了，它證明了一個驚人的量子光學效應，那就是當兩個完全相同的光子在同一時間進入一個分束器時，就會產生一些讓人意想不到的效應。如下圖所示，當兩個不可區分的全同光子在同時間擊中了一面部分反射鏡後，我們雖然無法預測它們接下來會往哪個方向傳播，但卻可以確定無論它們去哪，都會一同前去。
○ 部分反射鏡中兩個單光子源之間的干涉：如果這兩個光子相同（左），那麼它們總是同時離開（方向隨機）；如果光子不同，那麼它們有可能以不同的方向離開。
這與我們在經典世界中的經驗是不一樣的，假如世界是經典的，那麼我們應該看到每個光子的行為都是獨立的，它們有一半機率會選擇向不同的方向傳播。但在量子世界，量子干涉會迫使它們結合在一起，導致它們總以相同的方向離開分束器。
這種類型的干涉只能作用於全同光子，也就是說這種干涉的出現對光源有著非常特殊的要求，它們強烈依賴於能根據指令產生單一的、相同的光子的設備。光子可以通過顏色（即波長）、顏色的純度（即相干性)、振盪電場的方向（即偏振）、空間形狀以及它們到達的時間來進行區分。縱觀物理學研究的歷史，我們不難發現要創造出這種全同光子是一件極其困難的事，已經有許多研究人員為此奉獻了大量的時間和精力。
現在，科學家用精妙的實驗證實，太陽就可以成為這樣一種光源。他們發現，即使相距1.5億公里，光子之間也可以存在量子干涉。這為在天文尺度上進行量子光學實驗打開了一扇窗戶。
我們知道，太陽放出的光子具有非常廣的頻率和偏振範圍，並且科學家是無法控制它們的到達時間的。那研究人員是如何將太陽變成這樣一種特殊光源的呢？
量子點（Quantum dots）讓這一切成為了可能。量子點是一類通過限制單個電子來產生量子行為的微小物質點。電子的約束作用能將電子限制在特定的能量範圍內，當電子要釋放能量時，就會發射出光子。
材料科學家找到了製造出這種幾乎完全相同的物質點的方法，它們能釋放出顏色完全相同的光子。與此同時，科學家們還有辦法使它們具有相同的純度、空間形狀和偏振。實驗證明，兩個量子點是可以發射出全同光子的。
但是，僅僅如此是不夠的。雖然科學家可以通過精妙的控制來確保量子點能自然地產生相同的光子，但是對於像太陽這樣的不受控的東西，又該怎麼做呢？
為了能把太陽變成一個單光子源，研究人員將一個太陽望遠鏡與一系列光纖、濾光鏡，以及光柵結合在了一起，這些光柵是專為生成與他們在實驗室中用半導體量子點產生的光子相匹配的光子而設計的。如此一來，他們把持續從太陽捕捉到的光線過濾，只留下具有正確的顏色、純度、空間形狀和偏振的光子。
○ 實驗裝置。| 圖片來源：[3]
接著，他們將得到的光子與一個來自半導體量子點的光子一同送到一個部分反射鏡進行分束。在這個過程中，時間扮演著非常重要的角色。因為實驗要求，當來自量子點的光子到達分束器時，同時也只能有一個來自太陽的光子撞擊到這個分束器上。
而太陽發射光子的時間是隨機且任意的，並且光子數量眾多，可用的光子總是不止一個；但一個量子點卻只能每10納秒左右發射一個光子。因此，研究人員必須丟棄許多來自太陽的光子，直到其平均光子速率與量子點的光子速率大致相同，才可能解決在時間上存在的障礙。另外，他們將探測器設定成只能以特定的時間間隔打開，以此來檢測一同到達的光子。
在這樣的情況下，他們得到了與全同光子實驗幾乎完全一致的實驗結果：當兩束光子流在分束器處結合時，如果光子能同時到達，那麼它們有90%的機率能一同離開。而不完美之處源自於量子點有時會發出兩個光子，且來自太陽的光子流也偶爾會出現兩個光子，如此一來，便會使得研究人員無法觀測到完美的量子干涉。
但這已經是令人極為滿意的結果了，它表明干涉已經超出了經典物理學的預期，這意味著即便是來自自然光源的熱光源也可以用於量子光學實驗。研究人員還更進一步地做到了將來自太陽的光子與來自量子點的光子糾纏在一起，生成了光子之間的糾纏態。他們證明，這種糾纏態顯然違反了貝爾不等式。研究人員解釋說，結果表明，在某些量子加密方案中，陽光可以作為一種獨立的光源。
這是非常不可思議的結果。它意味著現在我們有了可以把任何老舊的燈泡變成量子源的技術！研究人員還介紹說，來自太陽的單光子的量子特性還將有助於我們理解太陽的活動過程，比如磁場行為等等。因此，它不僅可以帶來顯而易見的技術應用，還具有令人興奮的潛在理論前景。
編譯：SAI
參考來源：
[1] https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.080401
[2] https://arstechnica.com/science/2019/08/identical-photons-generated-150-million-kilometers-apart/
[3] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.080401