Spatial correlations of photons interacting via transverse Rydberg blockade

通常情况下，光表现得像是一股独立的粒子流，在彼此穿过时毫不留心。为了让光实现相互作用，科学家们长期以来一直寻求迫使光子相互影响的方法，这一成就可能会彻底改变我们处理信息和构建量子计算机的方式。实现这一目标最有效的方法之一是将光捕捉在极冷原子的云团中。当这些原子被激发到被称为里德堡态（Rydberg state）的高能态时，它们会变得体积巨大，并对其邻近原子施加强大的影响。这种影响创造了一个“封锁区”（blockade），即在这个区域内，一个被激发的原子会阻止附近的另一个原子以同样的方式被激发。过去，研究人员已成功利用这种效应使光子发生相互作用，但他们大多只观察了沿单一轴线的相互作用，将光束视为一根细线。这种方法揭示了丰富的随时间变化的特性，但在很大程度上尚未探索其完整的三维相互作用本质。

一组物理学家现在扩展了这一视野，开发出一种理论，描述两个光子不仅在沿其路径方向，而且在横跨光束宽度的方向上是如何相互作用的。通过模拟光子穿过二维原子云的运动，研究人员发现，控制这些粒子如何避开彼此的规则在不同方向上有着本质的区别。当观察沿光传播方向的相互作用时，由于原子对光的响应方式，光子表现得像是正在扩散或蔓延。然而，当观察横跨光束方向的相互作用时，光子表现得像是光波绕过障碍物产生的衍射，其扩散模式是由光本身的波动性所决定的。这种区别至关重要，因为这意味着两个光子无法同时存在的“禁区”是由两种不同的物理机制同时作用而成的。

研究人员模拟了一个场景：一束形状如平滑钟形曲线的激光穿过一个同样呈钟形曲线分布的原子云。他们计算了两个光子在穿过该介质时的行为，追踪了它们在前进方向和侧向方向寻找彼此的概率变化。他们的计算表明，光子被阻挡无法靠近彼此的区域并不是一个完美的圆。相反，它拉伸成了一个椭圆形。这个椭圆形的长度取决于原子对光响应的快慢，这一因素与相互作用的带宽有关。然而，椭圆形的宽度则直接由封锁半径（blockade radius）的物理尺寸决定，即里德堡原子相互排斥的距离。这一发现证实了横向（即侧向）相互作用是一个独特的现象，可以独立于过去研究中的基于时间的相互作用进行测量。

为了理解这种效应的规模，团队改变了入射激光束相对于封锁区的尺寸。当光束远宽于封锁区时，光子在输出光束的中心产生了一个清晰的黑洞，其位置恰好是封锁阻止它们聚集的地方。这个黑洞的宽度与封锁半径的大小相匹配，大约是原子相互排斥距离的两倍。然而，当光束比封锁区窄时，效应发生了变化。明显的黑洞消失了，取而代之的是由于光束在传播过程中的自然扩散而导致的亮度展宽。这种转变标志着从原子相互作用占主导地位向光波性质占据主导地位的转变。模拟表明，通过测量光离开云团后的空间模式，科学家可以直接确定封锁半径的大小，这为测量这些量子相互作用提供了一种新的、精确的方法。

这项工作依赖于一个数学模型，该模型将光子-原子系统的复杂九部分描述简化为一个更容易理解的单一方程。该方程将两个光子视为一个在由原子构成的景观中运动的单一实体。在这个景观中，原子就像一座光子必须穿越的势垒山丘。模型显示，光子沿着光束路径的运动方式与横跨路径的运动方式不同，就像粒子在一个在不同方向提供不同阻力的介质中运动一样。研究人员通过将这种简化的模型与完整的、详细的数值模拟进行对比，验证了其准确性，结果高度吻合。这种一致性使人们确信，简化的图景能够捕捉到该情境下的核心物理本质，而无需每次都求解最复杂的方程版本。

这些发现确立了横向里德堡封锁是一种可测量的、独特的创建光子相关性的机制。虽然以往的实验侧重于光子在时间上的聚集或规避，但这项工作表明，它们在空间上也存在这种特性。控制和测量这些空间相关性的能力，为创造存在于更高维度的复杂量子态打开了大门。此类状态可以携带比简单的开/关信号更多的信息，为量子通信和计算提供新的资源。该研究并未声称已经制造出了工作的设备，但它提供了设计此类实验所需的理论基础和具体预测。通过展示封锁半径设定了光子在横向方向上能靠近彼此的硬性极限，研究人员确定了一个新的观测指标，可以用以探测光与物质相互作用的基本属性。