（a） 糾纏雙光子作為分子超快探針的示意圖，其中提出了通過(guò)β-硼酸鋇（BBO）晶體的參數(shù)化下轉(zhuǎn)換和多光子檢測(cè)。（b） 量子快車(chē)微觀模型的水平方案。（c） 量子快速汽車(chē)信號(hào)，采用甲烷（CH4）中的4種拉曼活性模式A1，E和T2。（d） QFRS中電子激發(fā)態(tài)的微觀模型水平方案。（e） 將強(qiáng)度相關(guān)的QFRS與經(jīng)典探頭脈沖情況進(jìn)行比較，以時(shí)間演變的電子相干性作為探頭光子與諧振泵脈沖之間延遲T的函數(shù)。圖片來(lái)源：張哲東等

近年來(lái)，糾纏光子——一種流行的量子光源——被廣泛應(yīng)用于量子成像、光學(xué)干涉測(cè)量、量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域。自發(fā)的參數(shù)化下變頻產(chǎn)生具有守恒能量和動(dòng)量的糾纏光子對(duì)，從而編碼空間和時(shí)間中的量子相關(guān)性。這種性質(zhì)使量子優(yōu)勢(shì)克服了成像和檢測(cè)領(lǐng)域經(jīng)典脈沖的衍射極限。

分子光譜學(xué)中長(zhǎng)期存在的瓶頸問(wèn)題之一是在飛秒尺度上檢測(cè)超快電子過(guò)程。電子相干性的動(dòng)力學(xué)尤為重要。然而，受時(shí)頻分辨率和激發(fā)態(tài)非相干通道的限制，現(xiàn)有的拉曼技術(shù)不能用于此目的。

在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上新發(fā)表的一篇論文中，香港城市大學(xué)物理系的張哲東教授及其同事開(kāi)發(fā)了一種飛秒時(shí)間分辨相干拉曼光譜，其糾纏光子導(dǎo)致QFRS（量子飛秒拉曼光譜）。

具體來(lái)說(shuō)，由光子糾纏操縱產(chǎn)生的拉曼信號(hào)的超分辨性質(zhì)在他們的工作中得到了體現(xiàn) – 時(shí)間和光譜分辨率都可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。QFRS僅對(duì)電子相干性敏感。

這使得它特別適合在~50 fs的短時(shí)間尺度內(nèi)檢測(cè)電子激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)。這種優(yōu)勢(shì)在之前研究的拉曼技術(shù)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這些技術(shù)受到快速衰減或時(shí)頻分辨率的瓶頸。這項(xiàng)工作為研究復(fù)雜材料（如分子，2D材料和激子，極化子）中的超快過(guò)程提供了新的視角，因?yàn)槲覀兛梢蕴崛∷璧某谠ズ洼椛溥^(guò)程。

量子拉曼光譜用來(lái)自糾纏光子源的信號(hào)光子束取代了經(jīng)典的探針脈沖。惰輪光子光束用作重合測(cè)量的預(yù)示光束。因此，可以獨(dú)立控制時(shí)間和光譜分辨率。這導(dǎo)致超分辨性質(zhì)超越了時(shí)頻關(guān)系的共軛?？梢赃M(jìn)一步進(jìn)行外差檢測(cè)以監(jiān)測(cè)電子的相。他們工作的亮點(diǎn)總結(jié)如下：

“我們?cè)O(shè)計(jì)飛秒拉曼光譜的量子版本有三個(gè)目的：（1）在實(shí)時(shí)域中執(zhí)行高分辨率抗斯托克斯拉曼光譜;（2）能夠在超短時(shí)間尺度下對(duì)電子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行成像;（3）要對(duì)分子激發(fā)的相位敏感，這樣才能讓檢測(cè)靈敏度超過(guò)站立量子極限。

“我們的工作大大擴(kuò)展了糾纏光的視野，并補(bǔ)充了糾纏光在復(fù)雜分子中最佳兩個(gè)光子吸收過(guò)程背景下取得的光譜學(xué)進(jìn)步。這項(xiàng)工作將有助于未來(lái)的實(shí)驗(yàn)和理論工作，“科學(xué)家們說(shuō)。

更多信息：張哲東等，糾纏光子使時(shí)間 – 頻率分辨相干拉曼光譜成為可能，并在飛秒尺度上應(yīng)用于電子相干性，光：科學(xué)與應(yīng)用（2022）。DOI： 10.1038/s41377-022-00953-y

期刊信息：光：科學(xué)與應(yīng)用