研究背景

近年来量子纠缠光源和超快光谱这两项技术发展十分迅猛。众所周知，量子纠缠是基于量子力学原理的一种奇特现象，即粒子之间在任意远的距离上可以产生瞬时相互关联的现象，它已经成为量子通信、量子传感以及量子计算领域的炙手可热的大明星，并且荣获了2022年度诺贝尔物理学奖。而飞秒受激拉曼光谱则是一种先进的光学分析方法，可用于研究分子的振动特性和相互作用，能够提供有关分子结构和化学环境的详细信息，帮助科学家们深入了解分子的性质和行为。该技术被广泛用于化学分析、生物医学、材料科学和环境监测. 当这两个领域相互结合时，便衍生出了一种可用于研究复杂分子材料的强大的检测分析手段。基于此，香港城市大学张哲东教授等提出了基于纠缠光的量子超快受激拉曼光谱。相较于传统拉曼光谱技术，该技术通过利用纠缠光源的量子优势提高了光谱信号的时间频谱分辨率，同时也实现了对分子内部超快过程的“高速摄像”。该工作以"Entangled photons enabled ultrafast stimulated Raman spectroscopy for molecular dynamics"为题发表在国际光学顶刊《Light: Science & Applications》。

图1 (a)超快纠缠光子受激拉曼光谱技术示意图，泵浦激光入射非线性晶体产生一对纠缠光子并与分子内部能级结构发生相互作用形成受激拉曼散射信号。(b)分子内部能级结构示意图。

一．什么是受激拉曼光谱技术

该光谱技术的基本原理是利用入射光与待测样品发生相互作用，产生受激拉曼散射，即一种光与分子相互作用后所发生的能量转移过程，其中散射光的频率与分子的振动能级有关。受激拉曼光谱技术的突破之处在于它的超快性能。传统的拉曼光谱技术需要长时间的数据采集，而受激拉曼光谱技术可以利用超快激光脉冲，在极短的时间内获取大量数据点从而能够更快速地获取分子的关键信息。

二．为什么要用量子纠缠光源

首先，受激拉曼散射是一种双光子的物理过程，而量子纠缠光源恰好能提供一对光子使其在与物质发生相互作用时产生受激拉曼散射。其次量子纠缠光源具备一种非经典的特性，即光子对之间会产生关联关系（如时间、频率或偏振）打破了经典光中的不确定性限制而导致，如此一来光谱信号的频率和时间分辨率得到了极大提高。

三．如何实现对分子的“高速拍照”

在一些分子体系中，某些超快过程如电子转移和能量重新分配等过程所发生的时间尺度通常属于飞秒（10-15秒）级别。这快速的变化对发展捕光装置、能量转换和量子计算均具有广泛的重要性。然而，对这些分子超快过程的研究，过往一直充满着模糊不清和问题。现时大多数有关理论都受到时间和能量尺度的瓶颈的制约。本文研究人员通过对量子纠缠非线性过程特定参数的调节（如泵浦光的频谱宽度，非线性晶体的厚度）可以产生能达到飞秒量级的量子纠缠光子对，同时保持其在能量（频率）方面的关联关系，即满足受激拉曼散射所要求的能量转移条件，当该能量转移过程与光敏分子中的超快过程相互匹配时，携带该过程相关信息的信号便可以出现在探测端的光谱上，如此一来就实现了对分子的“高速拍照”。

图2 （a）入射纠缠光子对的受激拉曼光谱信号。（b）入射非关联光子对的受激拉曼光谱信号。（c）入射脉冲激光的受激拉曼光谱信号。（d）图(a)150飞秒范围内的信号变化放大图，其中振荡部分清晰地展示了分子能级间的相干信号。（e）Hong-Ou-Mandel干涉图纹。

四．该技术的优势

相较于传统受激拉曼光谱技术，该技术的光谱的频率-时间分辨率得到了显著提升，为探索复杂分子的精密结构提供了强大工具。在纠缠光子对与分子相互作用时，由于外加光场存在量子关联性，相互作用会令分子发生Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉效应[1]，并且能选择性地将特定的受激拉曼散射过程筛出从而生成更加干净的光谱信号。从探测端来看，该技术允许在无需使用光栅器的情况即可探测到光谱信号，从而简化了探测装置。总体而言，该技术可在约100飞秒的时间尺度内实现对分子中电子的运动过程的实时监测，可以帮助研究人员更加准确地了解电子在物质中的行为。在实时观察和研究光化学反应、纳米结构表面等离子体共振现象以及半导体异质结构等领域的应用潜力巨大。

[1] 一种特殊的双光子量子干涉效应，即当两个单光子同时进入一个非线性光学器件（例如一个分束器），它们有一定的概率会发生碰撞并在同一个地方被探测到。而如果两个光子是在不同的时间进入器件，它们就会被分到不同的地方。

五．量子光谱的未来发展

未来量子光谱技术所发展出全新理论有望为量子物理学领域和室温下的量子调控带来潜在的革命性的突破，并且也能推动更加高效和稳定的量子光源制备技术的发展，为例如光通信、量子计算及光采集等技术注入新动力。而由量子光谱技术所衍生出来的更高效、更精确的光谱测量和分析方法有望在更多的应用领域中发挥重要作用，如在材料科学、化学反应、生物医学等领域中利用量子光谱可以提供更为深入的分子结构分析和动态过程观察以推动相关研究的进展。（来源： LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01492-4