由三个光子相互影响而形成的涡环和线。颜色描述了电场的相位，电场围绕涡旋核心完成了 360 度旋转。图片来源：魏茨曼科学研究所

漩涡是一种常见的物理现象。你可以在星系、龙卷风和飓风的结构中找到它们，也可以在一杯茶或从浴缸中流出的水中找到它们。

通常，当流动非常快的空气、水或其他物质遇到流动较慢的区域时，就会形成涡流。它们的特点是围绕静止轴的圆周流动。因此，涡流的作用是弥合具有不同速度流动的相邻区域之间的张力。

在《科学》杂志上发表的一项研究中，现在发现了一种以前未知的漩涡类型，该研究由魏茨曼科学研究所复杂系统物理系Ofer Firstenberg教授实验室的Lee Drori博士，Bankim Chandra Das博士，Tomer Danino Zohar和Gal Winer博士进行。

研究人员开始寻找一种使用光子在量子计算机中处理数据的有效方法，并发现了一些意想不到的事情：他们意识到，在极少数情况下，两个光子相互作用，它们会产生漩涡。这一发现不仅增加了对涡旋的基本理解，还可能有助于实现该研究的最初目标，即改善量子计算中的数据处理。

光子（也表现为波的光粒子）之间的相互作用只有在存在作为中介的物质的情况下才有可能。在他们的实验中，研究人员通过创造一个独特的环境来迫使光子相互作用：一个10厘米的玻璃电池，除了铷原子外，它完全是空的，这些铷原子被紧密地堆积在容器的中心，以至于它们形成了一个大约1毫米长的小而密集的气体云。

研究人员通过这片云发射了越来越多的光子，检查了它们在穿过云层后的状态，并观察它们是否以任何方式相互影响。

“当光子穿过密集的气体云时，它们会将许多原子送入称为里德堡态的电子激发态，”Firstenberg解释说。“在这些状态下，原子中的一个电子开始在比未激发原子直径宽1000倍的轨道上移动。这个电子会产生一个电场，影响大量相邻的原子，把它们变成一种想象中的'玻璃球'。

玻璃球的图像反映了这样一个事实，即该区域中存在的第二个光子不能忽略第一个光子创造的环境，并且作为响应，它会改变其速度——就好像它已经穿过玻璃一样。

因此，当两个光子彼此相对靠近时，它们的移动速度与每个光子单独行进的速度不同。当光子的速度发生变化时，它所携带的波的波峰和波谷的位置也会发生变化。

在量子计算中使用光子的最佳情况下，由于光子相互影响，峰谷的位置相对于彼此完全反转，这种现象称为 180 度相移。

研究的方向与气体云中光子的路径一样独特和非凡。这项研究还包括Eilon Poem博士和Alexander Poddubny博士，该研究始于八年前，已经见证了两代博士生通过Firstenberg的实验室。

随着时间的流逝，魏茨曼的科学家们设法创造了一个密集的超冷气体云，里面充满了原子。结果，他们实现了前所未有的成就：光子经历了180度的相移，有时甚至更多。

当气体云密度最大且光子彼此靠近时，它们发挥了最高水平的相互影响。但是当光子彼此远离或它们周围的原子密度下降时，相移就会减弱并消失。

普遍的假设是，这种减弱将是一个渐进的过程，但研究人员感到惊讶：当两个光子相距一定距离时，就会形成一对漩涡。在每一个漩涡中，光子都完成了360度的相移，在它们的中心几乎没有光子——就像我们从其他漩涡中知道的黑暗中心一样。

要了解光子漩涡，想想当你在水中拖动一个垂直固定的板时会发生什么。板推动的水的快速运动与它周围的较慢运动相遇。这产生了两个漩涡，从上面看，它们似乎沿着水面一起移动，但实际上，它们是称为涡环的三维配置的一部分。板的淹没部分形成半个环，将表面上可见的两个漩涡连接起来，迫使它们一起移动。

漩涡环的另一个常见例子是烟环。在研究的最后阶段，研究人员在引入第三个光子时观察到了这种现象，这为研究结果增加了一个额外的维度。科学家们发现，在测量两个光子时观察到的两个涡旋是由三个光子相互影响产生的三维涡旋环的一部分。这些发现表明，新发现的涡旋与其他环境中已知的涡旋有多么相似。

在这项研究中，漩涡可能抢走了风头，但研究人员正在继续朝着量子数据处理的目标努力。研究的下一阶段将是将光子相互发射，并分别测量每个光子的相移。

根据相移的强度，光子可以用作量子比特——量子计算中的基本信息单位。与常规计算机内存的单位（可以是 0 或 1）不同，量子位可以同时表示 0 到 1 之间的值范围。

更多信息：Lee Drori 等人，强相互作用光子的量子涡旋，《科学》（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adh5315

期刊信息： Science