分子高速摄像机的工作原理。图片来源：Light： Science & Applications （2024）。DOI： 10.1038/s41377-024-01492-4

近年来，量子纠缠光源和超快受激拉曼光谱等两项前沿技术迅速发展起来。

量子纠缠是一种植根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方面引起了广泛关注，甚至在 2022 年获得了诺贝尔物理学奖。

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，为了解分子精细结构提供了宝贵的见解。其应用涵盖多个领域，包括化学分析、生物医学研究、材料科学和环境监测。

通过将这两种技术结合起来，出现了一种非常强大的分析工具，用于研究复杂的分子材料。

在发表在《光：科学与应用》上的一篇新论文中，由中国香港城市大学物理系的张哲东教授和欧哲宇教授领导的一组科学家开发了一种具有量子光场的超快受激拉曼光谱的微观理论。

这种创新技术利用纠缠光子源的量子优势来提高光谱信号的时间分辨率和光谱分辨率。此外，它还能够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开创性的概念。

受激拉曼散射作为拉曼过程家族的一员，代表了多光子相互作用中的典型现象，与量子光场紧密交织在一起。它基于入射光和样品分子之间的相互作用，导致散射光的频率偏移。该过程涉及入射光和分子之间的能量转移，散射光的频率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的处理能力。传统的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来快速获取大量的数据点，从而促进关键分子信息的快速检索。

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。这些光源提供了成对的纠缠光子，当与物质相互作用时，这些光子会诱导受激拉曼散射。

此外，量子纠缠光子源具有非经典性质，例如光子对之间在时间、频率或偏振方面的相关性。这打破了经典光的限制，确实显着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，指出分子积极地充当拉曼泵浦和探针场的光束混合器，而不是单独充当光散射的被动分束器。

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，从而允许选择性跃迁至分子相关函数。

来自高速相机的PBI分子信号光谱。图片来源：Light： Science & Applications （2024）。DOI： 10.1038/s41377-024-01492-4

某些分子系统表现出超快过程，例如电子转移和能量再分布，发生在飞秒时间尺度上（10-15秒）。了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，这些超快过程的研究受到时间和能量尺度的限制的阻碍。

在这项研究中，研究人员可以调整非线性过程的特定参数（例如泵浦光的光谱宽度和非线性晶体的厚度），以产生具有飞秒级相关性的纠缠光子对，同时保持其能量（频率）相关性。

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会出现在光谱中，从而能够对分子进行高速成像。

量子光谱学的未来进展有望在量子物理学和室温量子控制领域取得重大突破。这些进展也将推动更高效、更稳定的量子光源生成技术的发展，为光通信、量子计算、量子传感等领域注入新的活力。

此外，源自量子光谱学的高效、准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不同领域发挥关键作用。这项研究只是对量子光谱学潜力的一瞥。

通过利用这一技术，可以获得对分子结构分析和动态观察的更深入的见解，从而推动相关领域的重大进展。

更多信息：Jiahao Joel Fan等人，纠缠光子使超快激发拉曼光谱成为分子动力学的催化剂，《光：科学与应用》（2024）。DOI： 10.1038/s41377-024-01492-4

期刊信息： Light： Science & Applications