光與物質(zhì)的相互作用是量子光學(xué)的基礎(chǔ)，也是許多量子技術(shù)的關(guān)鍵。當(dāng)我們用一束近共振的激光照射一個(gè)單個(gè)的二能級(jí)原子時(shí)，我們可以觀察到原子發(fā)出的熒光光子。這些光子有一個(gè)很特別的性質(zhì)，就是它們永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)地方。這可以理解為單個(gè)二能級(jí)原子只能吸收和發(fā)射單個(gè)光子，而不能同時(shí)處理兩個(gè)或更多的光子。這種現(xiàn)象被稱為光子抗聚束，是量子光學(xué)的一個(gè)重要標(biāo)志。

然而，如果我們仔細(xì)分析原子與激光的相互作用，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程并不是那么簡(jiǎn)單。原子發(fā)出的熒光光子可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)是與激光相干的部分，一個(gè)是與激光不相干的部分。這兩個(gè)部分在光譜上有不同的特征，形成了著名的Mollow三重峰結(jié)構(gòu)。有趣的是，當(dāng)我們單獨(dú)考慮這兩個(gè)部分時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都包含了高光子數(shù)的成分，也就是說，它們都有可能同時(shí)包含兩個(gè)或更多的光子。這就與我們之前的直覺相矛盾了，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為單個(gè)二能級(jí)原子不能同時(shí)散射兩個(gè)光子。

那么，這兩個(gè)部分的高光子數(shù)成分是怎么來的呢？事實(shí)上，它們是由于兩個(gè)可能的兩光子散射過程的量子干涉造成的。我們可以把這兩個(gè)過程稱為相干和不相干的兩光子散射。相干的兩光子散射是指原子先吸收一個(gè)激光光子，然后同時(shí)發(fā)射兩個(gè)熒光光子，再吸收另一個(gè)激光光子，回到基態(tài)。不相干的兩光子散射是指原子先吸收一個(gè)激光光子，然后發(fā)射一個(gè)熒光光子，再吸收另一個(gè)激光光子，然后發(fā)射另一個(gè)熒光光子，回到基態(tài)。這兩個(gè)過程的概率都很小，但是它們的干涉會(huì)導(dǎo)致熒光光子的光子統(tǒng)計(jì)發(fā)生變化。當(dāng)我們考慮兩個(gè)部分的總和時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這種干涉會(huì)抵消掉高光子數(shù)的成分，從而導(dǎo)致光子抗聚束。當(dāng)我們只考慮其中一個(gè)部分時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這種干涉會(huì)增強(qiáng)高光子數(shù)的成分，從而導(dǎo)致光子聚束。

為了驗(yàn)證這個(gè)干涉圖景，我們需要實(shí)驗(yàn)上分離出熒光光子的兩個(gè)部分，并測(cè)量它們的光子統(tǒng)計(jì)。這是一個(gè)非常困難的任務(wù)，因?yàn)闊晒夤庾拥膹?qiáng)度很低，而且與激光光子有很大的重疊。我們采用了一種巧妙的方法，利用一個(gè)光學(xué)濾波器來濾除熒光光子的相干部分，只保留不相干部分。這樣，我們就可以觀察到不相干部分的高光子數(shù)成分，也就是同時(shí)被原子散射的光子對(duì)。我們用一個(gè)高靈敏度的光子計(jì)數(shù)器來檢測(cè)濾波后的熒光光子，發(fā)現(xiàn)它們確實(shí)表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的光子聚束，也就是說，它們經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)地方。這個(gè)結(jié)果證實(shí)了單個(gè)二能級(jí)原子確實(shí)能夠同時(shí)散射兩個(gè)光子，只是在正常情況下，這種效應(yīng)被量子干涉所掩蓋。

我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為光與物質(zhì)的量子力學(xué)相互作用提供了新的視角，也為高度非經(jīng)典的光場(chǎng)的產(chǎn)生提供了新的途徑。例如，我們可以利用這種方法來制造具有極高亮度的光子對(duì)源，接近理論極限。這種光子對(duì)源可以用于量子信息處理、量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。