2026年6月17日——量子技术通过利用宇宙中最微小的事物之一来提供实用成果。然而，量子实验通常涉及操纵和冷却微小测试对象的大型机器。科学家们正致力于缩小量子设备的体积，并将其应用于更实际的场景中。

研究人员已经发现了许多将量子效应付诸实用的方法，例如利用光与物质的相互作用，以极高的精度测量时间和磁场。但对于实际应用而言，工程师们通常更青睐体积小、便于携带的设备，而不是塞满笨重设备的实验室。

为了研发更小型的量子设备，James K. Thompson教授（就职于JILA、科罗拉多大学博尔德分校及NIST）的团队与John Kitching（NIST院士）的团队合作，探究一种小型且坚固的设备（能产生略高于室温的原子流）在与现有的光操纵工具（特别是称为光学腔的镜面腔室）结合时，是否能够产生量子光。量子光是指无法被恰当地描述为电磁波，而必须描述为单个光粒子（光子）的光。

Kitching说：“基于原子的芯片级仪器对于精密计时和磁场传感已经非常重要。将这项技术扩展到量子领域，为未来的研究和应用开辟了新的机遇。”

在2026年6月3日发表于《科学进展》杂志的一篇文章中，该团队展示了腔体内原子与激光之间的相互作用如何可靠地产生量子光。他们这种结合紧凑原子流与镜面的方法，在量子设备中具有潜在应用价值，可能有助于完成各种任务，包括精确计时、无GPS信号导航以及安全发送信息。

Thompson说：“这证明了未来有一条路，可以扩展并大规模制造量子光源。这将为量子传感以及这些系统中的量子通信开辟新的科学和技术途径。这确实是首次证明这些技术能够相互兼容。”

现有的操控单个原子的方法通常依赖一种称为激光冷却的技术，该技术需要笨重的真空腔室和多个激光束。相比之下，他们展示的方法仅需一束激光，且在温热温度下即可工作，这可以通过小型设备实现，因此它有可能取代那些占据实验室大部分空间的设备，用一个能握在掌心中的单一装置来代替。

这种新方法使用了由Kitching团队成员William McGehee和Alex Staron开发的一种设备。它通过将一个小腔室充满随机弹跳的铷原子气体，然后为它们提供一个唯一的出口：指向原子所需方向的笔直狭窄通道。每个通道长三毫米，大约是一美分硬币厚度的两倍，但宽度仅为十分之一毫米，大约相当于一根人类头发的宽度。只有那些碰巧笔直弹向狭窄通道的原子才能逃逸，从而产生一束狭窄的原子束。

Thompson团队利用光与原子束之间的相互作用，将激光中的光子群削减成单一光子流。他们的实验依赖于原子吸收特定波长的某些光子，然后在一小段时间后将其释放的原理。吸收一个光子会阻止原子在释放第一个光子之前吸收另一个光子。

在实验中，团队向原子照射一束激光以启动该过程，然后使用光学腔来回收被释放的单个光子。光学腔由精确间隔的成对镜面制成，以促使特定波长的光在它们之间来回反弹。腔体的间隔会促使某些波长（恰好适配于镜面之间）的光得以保留，而其他波长的光则会迅速从腔体中消失。

研究人员对腔体进行了设置，使得铷原子能持续地将光子释放到其中。在光学腔中，每次光到达镜面时，都有很小的几率会像穿过窗户一样穿过镜面，而不是被反射。团队将原子束对准，使其穿过腔体镜面之间的空隙，这样当光被释放到腔体中时，它便垂直于原始光束传播。他们在腔体外放置了一个单光子探测器，以检测任何穿过镜面的光子。

Thompson说：“从某种意义上说，腔体的作用就是将光子从原子中吸出来。原子从外加激光束中抓取一个光子，然后腔体与原子共振，基本上让我们能够非常迅速地将该光子从原子中吸出。因为原子内部只有一个光子，所以我们知道只会得到一个光子。”

对于非量子光（例如来自他们激光器的光），物理学家预期光子会随机到达，这意味着有时一个光子会紧跟在另一个光子之后立即到达。因此，在激光中，看到光子后立即看到另一个光子的概率与在任何其他时间看到光子的概率相同。然而，对于量子光源来说，看到两个光子之间会有一个暂停，这意味着光子流的间隔会更规则。

在他们的测试中，研究人员测量到原子释放的光子之间通常有大约30纳秒的暂停。光被间隔开，并且看到光子意味着在一段时间内不太可能出现另一个光子，这一事实是量子光的可靠特征。

即使成功检测到了量子光，该团队仍然有一个潜在的问题需要关注：该设备在长时间使用后能否持续运行？

镜面必须保持清洁，才能可靠地容纳所需的光子并将其传输到探测器。因此，如果铷原子偏离其路径并积聚在镜面上，实验将停止工作。

JILA研究生、该文章的主要作者之一Hagan Hensley说：“这些镜面具有非常非常高的反射率。照射到它们的光中，99.999%都会被反射。如果有任何污染物沾到镜面表面，反射率就会下降。如果反射率从99.999%下降到99.998%，就足以让我们注意到系统性能的严重下降。”

为了避免弄脏镜面，团队仔细地将原子束对准，使其笔直穿过镜面之间的间隙，然后不断地将空气抽走，这样铷原子在穿过腔体后就会被吸走。他们期望狭窄的通道能使所有原子保持在远离镜面的笔直且狭窄的路径上，但他们无法看到单个原子来确认这一点。

团队通过将实验运行约六个月来检查设备的寿命。他们估计在此期间大约有10万亿个原子穿过了腔体，并且没有检测到镜面上有任何污染。

他们的结果表明，这种紧凑型设备提供了一种可靠的方法来产生量子光，而无需科学家们传统上为冷却单个原子以实现类似结果而付出的繁琐努力。

JILA研究生、该文章的另一位主要作者Braden Larsen说：“我们的实验简直太简单了。你可以移除所有复杂的设备，比如真空腔室、大量的光学复杂器件等，你仍然可以做出一流的科学成果。”

展望未来，该团队正致力于将他们的实验装置缩小到可以握在掌中的大小。他们的计划包括完全封装光束源和腔体，并使用石墨来捕获铷原子，而不是将其抽走。他们希望看到这些技术被应用于新的实验中，并最终在实验室之外得到实际应用。