原子可以吸收和再发射光--这是日常现象。不过，在大多数情况下，原子会向所有可能的方向发射光粒子--因此，重新捕获这种光子是相当困难的。科学家们研制出了"量子乒乓球"：利用一种特殊的透镜，可以使两个原子高精度地来回反弹一个光子。
麦克斯韦鱼眼透镜中的单光子发射。资料来源：Oliver Diekmann（维也纳工业大学）
现在，来自奥地利维也纳的维也纳理工大学的一个研究小组已经从理论上证明，使用一种特殊的透镜，可以保证一个原子发出的单光子被第二个原子重新吸收。不过，第二个原子不仅吸收了光子，还直接将其返回给第一个原子。这样，原子之间就能一次又一次准确无误地互相传递光子--就像打乒乓球一样。
带有两个原子的麦克斯韦鱼眼透镜。光子（绿色）沿着弯曲的光线（白色）在两个原子之间移动。资料来源：Oliver Diekmann（维也纳科技大学）
"如果一个原子在自由空间的某个地方发射了一个光子，其发射方向是完全随机的。这使得让另一个遥远的原子再次捕捉到这个光子实际上是不可能的，"维也纳理工大学理论物理研究所的 Stefan Rotter 教授说。"光子是以波的形式传播的，这意味着没有人能够准确说出它的传播方向。因此，光粒子是否被第二个原子重新吸收纯属偶然。"
如果实验不是在自由空间而是在封闭环境中进行，情况就会有所不同。声学中所谓的"耳语长廊"也有类似的情况：如果两个人在一个椭圆形的房间里，正好站在椭圆形的焦点上，即使只是小声耳语，他们也能听得一清二楚。声波被椭圆形墙壁反射后，正好在第二个人所站的位置再次相遇--因此，这个人可以完美地听到安静的耳语。
本论文的第一作者奥利弗-迪克曼（Oliver Diekmann）说："原则上，将两个原子定位在椭圆的焦点上，就可以为光波构建类似的东西。但实际上，这两个原子必须非常精确地定位在这些焦点上。"
"量子乒乓"中单光子重复发射和吸收的数值模拟。资料来源：Oliver Diekmann（维也纳工业大学）
因此，研究小组根据经典电动力学创始人詹姆斯-克拉克-麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出的鱼眼透镜概念，提出了一种更好的策略。鱼眼透镜由空间变化的折射率组成。光线在空气或水等均匀介质中是直线传播的，而在麦克斯韦鱼眼透镜中光线是弯曲的。
奥利弗-迪克曼解释说："通过这种方式，可以确保从一个原子发出的所有光线都以弯曲的路径到达透镜边缘，随后被反射，然后以另一条弯曲的路径到达目标原子。在这种情况下，效果比简单的椭圆形要有效得多，而且偏离原子理想位置的危害也较小。"
"这个麦克斯韦鱼眼透镜中的光场由许多不同的振荡模式组成。这不禁让人联想到演奏乐器时同时产生的不同谐波，"Stefan Rotter 说。"我们能够证明，原子与这些不同振荡模式之间的耦合可以调整到这样一种方式，即光子几乎可以肯定地从一个原子转移到另一个原子--这与自由空间中的情况完全不同"。
一旦原子吸收了光子，它就会处于较高能量状态，直到很短时间后重新释放光子。然后游戏重新开始：两个原子互换角色，光子从接收原子返回到原来的发送原子，如此循环。
到目前为止，这种效果已经在理论上得到了证明，但利用当今的技术可以进行实际测试。斯特凡-罗特尔说："在实践中，不仅可以使用两个原子，还可以使用两组原子，从而进一步提高效率。这一概念可能是量子控制系统研究极强光物质相互作用效应的一个有趣起点"。
编译来源：ScitechDaily