光子（Photon）是一種基本粒子，被視為電磁輻射的量子。在量子場論中，光子被認為是傳遞電磁力的力載子。這種作用力的效應在微觀和宏觀層面上都可以輕易地觀察到，因為光子的靜止質(zhì)量為零，總是以光速（299792458m/s）在真空中移動，這也意味著它可以傳播到很遠的距離以外。光子屬于玻色子粒子，類似于其他微觀粒子，光子表現(xiàn)出波粒二象性。例如，它能在雙縫實驗里展示出波動性，也能在光電導效應實驗里展示出粒子性。
1905年，由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了現(xiàn)代光子的概念，當時愛因斯坦稱之為“光量子”（英語：light quantum）。為了解釋光電效應，愛因斯坦引入了光本身是由離散的能量單位組成的想法。1926年，美國物理化學家吉爾伯特·路易士（Gilbert N. Lewis）正式提出“光子（photon）”的命名。他將愛因斯坦的光子理論應用到化學中，提出了光子的化學意義，并將其與原子的電子結(jié)合起來，從而奠定了光子在化學反應中的重要地位。隨后，許多其他實驗驗證了阿爾伯特·愛因斯坦的方法。
在粒子物理學的標準模型中，光子與其他基本粒子被認為是在時空各點具有特定對稱性的必然結(jié)果。這些粒子的固有屬性，例如電荷、質(zhì)量和自旋，都是由規(guī)范對稱性決定的。光子不遵守泡利不相容原理。光子的概念為實驗物理學和理論物理學帶來了重大突破，同時也在諸如激光技術(shù)、量子光學和量子計算、光化學等非物理學領(lǐng)域取得了顯著進展。
歷史發(fā)展
在17世紀和18世紀期間，學術(shù)界存在兩種主要的關(guān)于光的理論：光微粒說和光波動說。光微粒說認為光是由無數(shù)微小粒子組成的物質(zhì)。雖然這可以解釋光的直線傳播和反射，但無法正確解釋折射、衍射等現(xiàn)象。勒內(nèi)·笛卡爾（Rene Descartes）、羅伯特·胡克（Robert Hooke）和克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）等學者支持光波動說，認為光是由彌漫在宇宙中的以太所傳播的擾動。光波動說能夠解釋光為何能夠直線傳播和球面?zhèn)鞑?，也能夠解釋反射和折射的機制，但無法解釋衍射的機制。
在19世紀初，托馬斯·楊（Thomas Young）和奧古斯丁·菲涅耳（Augustin Fresnel）的實驗證實了光的干涉和衍射特性，并合理地用光波動說解釋了這些特性。到1830年左右，光波動說已經(jīng)完全被學界所接受。1865年，詹姆斯·麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波，證實電磁波存在的實驗由海因里希·赫茲在1888年完成，這被認為標志著光微粒說的徹底終結(jié)。
然而，麥克斯韋理論下的光的電磁說并不能完全解釋光的所有性質(zhì)。1900年，馬克斯·普朗克（Max Plank）提出任何系統(tǒng)發(fā)射或吸收頻率為的電磁波的能量總是的整數(shù)倍。阿爾伯特·愛因斯坦由此提出的光量子假說則能夠成功對光電效應作出解釋。愛因斯坦的理論先進性在于，在麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論中電磁場的能量是連續(xù)的，能夠具有任意大小的值，而由于物質(zhì)發(fā)射或吸收電磁波的能量是量子化的，這使得很多物理學家試圖去尋找是怎樣一種存在于物質(zhì)中的約束限制了電磁波的能量只能為量子化的值；而愛因斯坦則開創(chuàng)性地提出電磁場的能量本身就是量子化的。愛因斯坦并沒有質(zhì)疑麥克斯韋理論的正確性，但他也指出如果將麥克斯韋理論中的經(jīng)典光波場的能量集中到一個個運動互不影響的光量子上，很多類似于光電效應的實驗能夠被很好地解釋。在1909年和1916年，阿爾伯特·愛因斯坦指出如果馬克斯·普朗克的黑體輻射定律成立，則電磁波的量子必須具有的動量，以賦予它們完美的粒子性。1992年，荷蘭科學家發(fā)現(xiàn)了光子的軌道角動量。
1923年，康普頓（A. H. Compton）進行了實驗，首次觀測到光子的動量。他研究了X射線與電子碰撞的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)X射線的散射行為與經(jīng)典電磁波理論不符，而是符合一個新的量子理論，即光子具有離散的能量和動量。1924年，尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）、亨德里克·克拉默斯（Hendrik Kramers）和約翰·斯萊特（John C. Slater）共同提出了BKS（Bohr, Kramers, Slater）模型，用于解釋光的散射行為。BKS模型是一種半經(jīng)典的模型，結(jié)合了經(jīng)典電磁波理論和量子力學的一些概念。
隨著量子力學的發(fā)展，人們意識到需要更加全面和一致的量子理論來解釋光的行為和性質(zhì)，即將詹姆斯·麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論和光量子理論統(tǒng)一起來。在愛因斯坦之后，量子電動力學（QED）和量子色動力學（QCD）為這個問題提供了部分解答。1948年，朱利安·施溫格（Julian Schwinger）發(fā)表了一系列文章，引入了量子電動力學的重整化技術(shù)，以解決電子自能修正的發(fā)散問題。1973年，格羅斯（Gross）、波利策（Politzer）和維爾切克（Wilczek）發(fā)現(xiàn)了強相互作用的漸近自由性質(zhì)，奠定了量子色動力學理論基礎(chǔ)。經(jīng)過近40年的發(fā)展，量子色動力學已經(jīng)成為強相互作用的基本理論，是理解微觀世界基本組成部分以及它們之間相互作用運動規(guī)律的關(guān)鍵。
物理性質(zhì)
波粒二象性
光子是量子力學中的基本概念，具有波粒二象性。阿爾伯特·愛因斯坦在1905年的論文中首次引入了光子的概念。光子既可以表現(xiàn)為波動，例如在干涉和衍射實驗中的行為，又可以表現(xiàn)為粒子，例如在光電導效應中釋放電子的現(xiàn)象。這一波粒二象性的概念奠定了量子力學的基礎(chǔ)，并為之后量子力學的發(fā)展奠定了重要基石。另一方面，康普頓研究了X射線在輕元素上的散射現(xiàn)象，并使用了量子理論成功地解釋了實驗結(jié)果。這一研究不僅支持了光子的粒子特性，還為光子的波粒二象性提供了進一步的實驗證據(jù)。
量子關(guān)系式
光子遵守基本量子關(guān)系式：
其中為能量，為普朗克常數(shù)，為約化普朗克常數(shù)或稱保羅·狄拉克常數(shù)，為頻率，為角頻率，為動量的大小，為波長，為波數(shù)。
光子的靜質(zhì)量
光子的靜止質(zhì)量嚴格為0。根據(jù)規(guī)范場論，如果光子靜質(zhì)量不為0，那么庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。使用上述量子關(guān)系式以及阿爾伯特·愛因斯坦質(zhì)能等價關(guān)系可約略得到光子質(zhì)量的上限：
此處即是光子質(zhì)量的上限，是任意電磁波的頻率，位于超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。
其他性質(zhì)
內(nèi)在屬性
根據(jù)粒子物理學的標準模型，光子的存在滿足物理定律在時空的每一點具有特定對稱性的理論要求。這種對稱性稱為規(guī)范對稱性，它可以決定光子的內(nèi)在屬性，如質(zhì)量、電荷和自旋等。光子沒有質(zhì)量，不帶電荷，并且是穩(wěn)定的粒子。光子的自旋為1，宇稱為-1，不受泡利不相容原理限制。光子是電磁學的規(guī)范玻色子?，因此光子的所有其他量子數(shù)（例如輕子數(shù)、重子數(shù)和味量子數(shù)）都為0。光子的反粒子就是它自己。
反粒子湮滅
1929年趙忠堯發(fā)現(xiàn)，硬γ射線在重元素中的吸收,比康普頓效應理論所預期的要大得多。翌年，他在繼續(xù)研究中測量到一種特征輻射，能量為0.5MeV（相當于電子的靜質(zhì)能）。這是第一次在實驗中觀察到正負電子對湮沒時發(fā)出的輻射。按照狄拉克理論，一個能量大于的γ光子可以使一個負能電子躍遷到正能態(tài)上去，留下一個空穴，其結(jié)果是γ光子轉(zhuǎn)化成正負電子對。不過，一個γ光子直接轉(zhuǎn)化成一對電子不可能同時滿足動量守恒和能量守恒定律。此過程只有在第三者（通常是一個原子核X）參與下才能發(fā)生：
，
表觀上看，γ光子被原子核吸收了。這也是趙忠堯所發(fā)現(xiàn)的硬γ被重核反常吸收的現(xiàn)象。雖然正電子本身是穩(wěn)定的，但它在物質(zhì)中不斷進行電離碰撞而損失能量，最后變得幾乎靜止。這時，它相當于保羅·狄拉克“負能?！北砻娴摹獋€空穴。如果近邊有電子，它就
會向空穴躍遷，將它填滿，多余的能量以γ光子的形式釋放出來。通常它們對稱地轉(zhuǎn)化為兩個方向相反的γ光子：
。
自旋角動量
光子具有與其頻率無關(guān)的內(nèi)秉角動量：自旋角動量，其大小為，并且自旋角動量在其運動方向上的分量，即螺旋性，一定為，兩種可能的螺旋性分別對應著光子的兩種圓偏振態(tài)，右旋偏振態(tài)和左旋偏振態(tài)。光束中的光子集合可能具有這兩種值的混合，線偏振光具有類似由相等數(shù)量的這兩種可能的角動量組成的表現(xiàn)。
相對論能量和動量
根據(jù)狹義相對論，質(zhì)量為的粒子，其能量和動量的關(guān)系為：
由于光子的質(zhì)量為0，光子的能量與動量的關(guān)系變?yōu)椋?/p>
因此在前述的量子關(guān)系式中，光子的能量與其頻率或波長有關(guān)：
這里用到光速與頻率、波長的關(guān)系式：
其中，是波矢，其大小即為波數(shù)，方向為光子的傳播方向。
與物質(zhì)的相互作用
光子在透明物質(zhì)中的傳播速度要小于其在真空中的速度。例如在太陽內(nèi)核產(chǎn)生的光子在到達太陽表面的路程中要經(jīng)過無數(shù)次碰撞，到達表面所需時間可達一百萬年，而一旦輻射到太空中只需8.3分鐘就可到達地球。基于經(jīng)典電磁理論的波動光學對此的解釋是光波的電場引起了物質(zhì)內(nèi)部電子的極化，極化場和原有的光電場發(fā)生干涉造成波的延遲，這種效應在宏觀上表現(xiàn)為幾何光學的折射率；而從光量子的角度來看，這個過程可以被描述為光子與處于激發(fā)態(tài)的物質(zhì)粒子（準粒子，如聲子或激發(fā)子）混合成為一個偏振子，偏振子具有非零的有效質(zhì)量，這意味著它的運動速度不能達到光速。對于不同頻率的光，在物質(zhì)中的運動速度可能是不同的，這種現(xiàn)象叫做色散。偏振子的傳播速度是光波的群速，是真正的光波能量的傳播速度，由能量對動量的導數(shù)給出：
其中，和是偏振子的能量和動量，和是其角頻率和波數(shù)。光子與其他準粒子的相互作用能夠從拉曼效應和布里淵散射中觀測到。
光子也能夠被分子、原子或原子核吸收，引發(fā)它們能級的躍遷。一個經(jīng)典的例子是視黃醛（C20H28O）的分子躍遷。光子的吸收甚至能夠打破化學鍵，例如氯的光解過程，這是光化學的研究主題。
原理與模型
量子場論
當量子力學與電動力學的結(jié)合成為量子電動力學（Quantum Electrodynamics, QED）時，物理學家們面臨了將光子與電磁場相互作用的問題。在1928年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）發(fā)表了一篇重要的論文，介紹了狄拉克方程，該方程描述了自旋為的費米子（如電子）的運動，并引入了反粒子的概念。這個方程旨在統(tǒng)一量子力學和狹義相對論，為粒子物理學的基礎(chǔ)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。施溫格的重整化技術(shù)正是在狄拉克理論框架下發(fā)展起來的，為量子電動力學提供了一種處理發(fā)散問題的方法。
在1949年，理查德·費曼（Richard Feynman）和施溫格各自發(fā)表了重要的研究成果，為解決這個問題建立了描述光子和電磁場相互作用的量子場論。費曼于1949年的論文中，利用路徑積分方法發(fā)展了量子電動力學的計算工具，被稱為費曼圖（Feynman diagrams）。費曼圖是用圖形化的方式表示粒子之間的相互作用過程，使復雜的計算過程變得直觀而易于理解。這種圖形化的方法在量子場論的計算中得到了廣泛應用，成為現(xiàn)代粒子物理學中不可或缺的工具。
與此同時，施溫格在1948年的工作進一步完善了量子電動力學的理論框架，為解釋光子和電子相互作用提供了堅實的基礎(chǔ)。施溫格提出了量子電動力學的重整化技術(shù)以解決電子自能修正的發(fā)散問題，他的工作首次將虛光子的質(zhì)量貢獻納入計算，并引入了自能修正的重整化過程，使得計算結(jié)果收斂且物理可解。施溫格在1949年利用規(guī)范場論的方法解決了電子的磁矩問題，并且給出了量子電動力學中關(guān)于光子與電子相互作用的一般理論。
二次量子化
1910年，彼得·德拜（Peter Debye）成功地將一個諧振腔內(nèi)的電磁場分解為傅立葉模式，并假設每種模式的能量都是的整數(shù)倍，通過對這些模式進行求和得到了黑體輻射定律。然而，德拜的方法未能給出阿爾伯特·愛因斯坦于1909年得到的黑體輻射能量漲落公式的正確形式。1925年，馬克斯·玻恩、海森伯格和帕斯庫爾·約當對德拜的概念進行了重要重述。他們在經(jīng)典理論中證明了電磁場的傅立葉模式與一組無耦合諧振子是等價的，這些諧振子的能級可以用表示。接下來的關(guān)鍵步驟是證明每個傅立葉模式的能級都對應于具有個光子的態(tài)，其中每個光子的能量為，得到了正確的能量漲落公式。
保羅·狄拉克在這個基礎(chǔ)上進一步推導，他將電荷與電磁場的相互作用處理為導致光子能級躍遷的微擾。這些能級躍遷引起了光子數(shù)量的變化，但整體上滿足能量和動量守恒。狄拉克的二階微擾理論涉及虛光子，虛光子可以被視為極短暫的電磁場中間態(tài)。在量子場論中，可觀測事件的概率振幅是對所有可能的中間態(tài)求和得到的，包括那些沒有物理意義的態(tài)。因此，虛光子并不受到這樣的約束，而且可能存在除了兩個偏振態(tài)之外的其他偏振態(tài)，而在某些規(guī)范條件下，光子可能具有三個甚至四個偏振態(tài)。盡管虛光子無法被觀測到，但它們對可觀測事件的概率貢獻是可以測量的。其他類型的虛粒子也可以對求和產(chǎn)生貢獻，例如光子相互作用中的虛電子正電子對。
在現(xiàn)代物理符號體系中，電磁場的量子態(tài)用福克態(tài)來表示，它是每個電磁場模式對應的量子態(tài)的張量積：
其中表示有個光子處于模式下的量子態(tài)。在這種符號體系中，模式下產(chǎn)生一個新光子的過程被表示為。這只是波恩、海森堡和約當概念的一種數(shù)學表述，并沒有更多的物理含義。
光子結(jié)構(gòu)測量
所謂光子結(jié)構(gòu)的測量，在量子色動力學中是指觀測光子場的量子漲落，這種能量漲落用一個光子的結(jié)構(gòu)方程來描述。目前對光子結(jié)構(gòu)的測量一般都依賴于對光子與電子，以及正負電子的對撞時的深度非線性散射的觀測。在保羅·狄拉克發(fā)起的理論中，當一個系統(tǒng)輻射出一個光子，從相對系統(tǒng)靜止的參考系來看，能量相應地降低了一個光子對應的能量；同樣地，系統(tǒng)吸收光子時質(zhì)量也會增加相應的值。電子（或更普遍的，輕子）的質(zhì)量被修正，將虛光子的質(zhì)量貢獻納入計算，這一理論被應用到重整化技術(shù)中。
對于相空間區(qū)域中的QED過程，其中一個μ子沿著入射光子的方向運動，另一個μ子以大角度散射(平衡出射電子的橫向動量)，計算出光子的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：
，
，
，
其中，M表示μ子質(zhì)量。
測不準原理
測不準原理，也稱為海森堡不確定性原理，是量子力學中的一項基本原理，由德國物理學家海森伯格（Werner Heisenberg）在1927年提出。該原理表明，在某些情況下，我們無法同時準確地確定微觀粒子的一對共軛性質(zhì)，比如粒子的位置和動量。測不準原理的數(shù)學表達形式為：
其中，表示位置的不確定度，表示動量的不確定度。這意味著如果我們越準確地測量粒子的位置（越?。?，動量的不確定性（Δp）就會增加；反之亦然。這個原理揭示了在量子世界中，存在一種固有的局限性，即我們無法完全精確地知道粒子的位置和動量。
玻色-愛因斯坦光子氣體模型
1916年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)馬克斯·普朗克的量子假說能夠從一個速率方程中導出。假設有一個處于熱平衡狀態(tài)的空腔，內(nèi)部充滿了能夠被系統(tǒng)吸收或發(fā)射的電磁輻射。熱平衡狀態(tài)要求系統(tǒng)中具有頻率的光子的數(shù)密度為不隨時間變化的常數(shù)，這樣系統(tǒng)發(fā)射光子的速率一定等于吸收光子的速率。
愛因斯坦假設一個系統(tǒng)從低能級向高能級躍遷時吸收頻率為的光子的速率與處于低能級的分子數(shù)，以及周圍具有此種頻率的光子數(shù)密度成正比：
其中是系統(tǒng)的吸收系數(shù)。
阿爾伯特·愛因斯坦還進一步假設從高能級向低能級躍遷時發(fā)射頻率為的光子的反向速率由兩項組成：
其中是系統(tǒng)自發(fā)輻射的系數(shù)，而是受激輻射的系數(shù)。愛因斯坦證明在系統(tǒng)處于熱平衡時，普朗克的量子假說是這些假設成立的必然結(jié)果，并且這與系統(tǒng)的材料組成無關(guān)。
這一運動學模型相當簡單而頗含物理意義。阿爾伯特·愛因斯坦還證明了系統(tǒng)的吸收系數(shù)等于受激輻射的系數(shù)，以及可能更值得注意的一個關(guān)系：
愛因斯坦沒有嘗試給出系數(shù)的形式從而進一步完善這個理論的速率方程，但他指出和的形式應該能夠從“經(jīng)修正能夠適用于量子假說的力學和電動力學”中推導出，這一預言已經(jīng)分別在量子力學和量子電動力學中得到證實。
為了推導這些系數(shù)，我們需要考慮光子和物質(zhì)之間的相互作用哈密頓量，然后使用費米黃金定則來計算吸收和發(fā)射光子的躍遷速率。具體來說，假設一個原子系統(tǒng)有兩個能級|1?和|2?，它們之間的能量差為?ω。當原子與頻率為ω的光子相互作用時，我們可以通過費米黃金定則計算出原子從|1?躍遷到|2?的吸收速率以及從|2?躍遷到|1?的發(fā)射速率。這些速率與光子密度和能級布居數(shù)有關(guān)，而阿爾伯特·愛因斯坦系數(shù)則描述了這些過程的強度。
然而，這種推導方法的局限性在于它只適用于簡單的二能級系統(tǒng)，并且假設了原子與光子的相互作用是弱耦合的情況。對于更復雜的系統(tǒng)或者強耦合的情況，這種推導方法可能不再適用，需要采用更高級的理論方法來處理。
1924年，薩特延德拉·玻色在沒有使用電磁理論的情況下，通過對相空間內(nèi)粗粒計數(shù)的修正，推導出了馬克斯·普朗克的黑體輻射定律。愛因斯坦證明了這種修正等效于將光子視為嚴格的全同粒子，并暗示了一種"神秘的非定域的相互作用”，這種相互作用在今天被理解為量子力學對稱態(tài)的要求。這項工作引出了相干態(tài)的概念，并推動了激光的發(fā)展。阿爾伯特·愛因斯坦將玻色的結(jié)構(gòu)體系推廣到物質(zhì)粒子（玻色子），并預言它們會在足夠低的溫度下凝聚到能量最低的量子態(tài)上。1995年，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)在實驗中成功實現(xiàn)。
如果電磁場的線性疊加原理成立，光子必須服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。根據(jù)玻色-愛因斯坦分布，所有玻色子都服從該統(tǒng)計，而根據(jù)費米-狄拉克分布，所有費米子都服從該統(tǒng)計。自旋統(tǒng)計定理得出的結(jié)論是，整數(shù)自旋的粒子是玻色子，而奇數(shù)倍自旋的粒子是費米子。簡而言之，如果光子是費米子，那么激光在任意輻照度下不可能同時輻射出大量處于同一狀態(tài)、具有相同運動方向的相干光子。因此，光子只能是玻色子。
根據(jù)量子色動力學，光子既能以無尺寸粒子，即輕子的方式參與相互作用；也能以一組夸克和膠子的集合體，即強子的方式參與。決定光子結(jié)構(gòu)的并不是像質(zhì)子那樣由傳統(tǒng)的價夸克分布，而是由輕子的漲落而形成的部分子的集合。所謂光子結(jié)構(gòu)的測量，在量子色動力學中是指觀測光子場的量子漲落，這種能量漲落用一個光子的結(jié)構(gòu)方程來描述。目前對光子結(jié)構(gòu)的測量一般都依賴于對光子與電子，以及正負電子的對撞時的深度非線性散射的觀測。
技術(shù)應用
量子光學
目前，人們在涉及量子技術(shù)的復雜系統(tǒng)研究中，光與物質(zhì)的相互作用僅限于單個原子，這限制了我們對這些系統(tǒng)的認知和探索能力。然而，最近研究人員取得了一項重要突破，首次發(fā)現(xiàn)了一種讓光子與成對原子相互作用的方法，使用費米氣體這種由原子構(gòu)成的物質(zhì)，在沒有光子存在的條件下制備了原子之間相互作用非常強烈的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，原子形成了松散的結(jié)合對，而當光進入氣體時，其中的一些原子對可以通過吸收光子而轉(zhuǎn)化為化學結(jié)合的分子。
盡管單個光子的量子態(tài)很容易被調(diào)控，但有效控制光子之間的相互作用卻是量子光學研究的關(guān)鍵和最大的挑戰(zhàn)之一。為此，研究人員開發(fā)了新型的納米超材料，引入了一個新的自由度來實現(xiàn)對光子之間的量子相互作用的任意操控。研究者提出了核心器件屬性和光子的量子本性在某些情況下是不可區(qū)分的，因此可以等效地相互轉(zhuǎn)化。這意味著通過人工設計量子器件的屬性，可以等效地改變光子的量子本性。研究人員將納米超材料的空間旋轉(zhuǎn)自由度設計為光子量子相互作用的新自由度，并通過旋轉(zhuǎn)納米超材料或改變單個光子的偏振，首次在實驗上實現(xiàn)了連續(xù)且動態(tài)地控制雙光子的量子干涉。這樣可以等效地實現(xiàn)對光子量子本性和光子之間量子相互作用的任意操控。這使得光子能夠表現(xiàn)出時而像玻色子，時而像費米子，或者處于兩者之間的任意狀態(tài)，超越了光子固有的玻色子本性。
量子計算與光通信
在光纖鏈路或衛(wèi)星與地面之間的自由空間鏈路中，已成功實現(xiàn)了量子糾纏分發(fā)。其中，光纖鏈路可以利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡進行傳輸，但長距離傳輸受到光纖固有傳輸損耗的限制。以無人機為代表的移動信息平臺，通過發(fā)揮其機動靈活、組網(wǎng)迅速、成本低廉等優(yōu)勢，研究人員以光學超晶格作為核心元件進行了高效集成的偏振糾纏源的研發(fā)。同時配置了輕量化高精度跟蹤瞄準系統(tǒng)，并成功將其搭載于自主開發(fā)的小型多旋翼實驗用無人機上。這一系統(tǒng)實現(xiàn)了在飛行中無人機與地面之間的單光子鏈路連接和光量子糾纏分發(fā)。
生物光子學
通過將光子學技術(shù)引入傳統(tǒng)的納米生物醫(yī)療領(lǐng)域，可以利用生物組織的光學成像、熒光增強和探測、生物光譜和診斷、以及激光醫(yī)學中的診斷和光動力診療等方法，從而提高現(xiàn)有技術(shù)的穩(wěn)定性。共焦激光掃描顯微鏡能夠展現(xiàn)出詳細的生物結(jié)構(gòu)的三維圖像，在亞細胞層次上監(jiān)測化學組成、蛋白質(zhì)相互作用的空間和時間特征。非線性成像方法，如以雙光子激發(fā)熒光技術(shù)為代表，不僅可以改善熒光成像方法的探測深度、降低對生物體的損傷，還可以開辟在細胞內(nèi)進行高度定位的光化學療法。近場技術(shù)將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測細胞膜上生物分子的相互作用、離子通道等。激光器已成為確定脫氧核糖核酸化學結(jié)構(gòu)排列的關(guān)鍵組成部分。光學在生物技術(shù)方面的其他應用還包括采用"DNA芯片"的高級復雜系統(tǒng)以及采用傳輸探針的簡單系統(tǒng)。激光鉗提供了一種新奇且前所未有的操作方法，可以在顯微鏡下可見，實現(xiàn)對生物環(huán)境中的細胞或微觀粒子的操縱與控制，或者在范圍內(nèi)測量力學參數(shù)。
研究進展
量子光學是物理光學中相對于波動光學的另一個分支。未來超快的量子計算機的基本運算元素可能是光子，而在這方面重點研究的對象是量子糾纏態(tài)。非線性光學是當前光學另一個活躍的領(lǐng)域，它研究的課題包括光纖中的非線性散射效應、四波混頻、雙光子吸收、自相位調(diào)變、光學參數(shù)振蕩器等。不過這些課題中并不都要求假設光子的存在，在建模過程中原子經(jīng)常被處理為一個非線性振子。非線性效應中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換經(jīng)常被用來產(chǎn)生單光子態(tài)。光子是光通信領(lǐng)域某些方面的關(guān)鍵因素，特別是在量子密碼學中。
近年來，拓撲光子學和非厄米光學已成為光子學中兩個最活躍的研究領(lǐng)域，極大地推動了拓撲物理學的發(fā)展。非厄米的概念源自量子力學，一般認為非厄米體系沒有具有物理意義的可測量本征能量。然而，引入宇稱時間（PT）對稱性改變了傳統(tǒng)對非厄米開放系統(tǒng)能量守恒判據(jù)的認識。當PT對稱的概念引入光學領(lǐng)域后，通過精心設計的光學增益和損耗，可以方便地調(diào)控系統(tǒng)的PT對稱性，并帶來新的發(fā)現(xiàn)。非厄米光學的發(fā)展也為傳感探測、無線傳能、單模激光等應用技術(shù)帶來了有吸引力的前景。
2005年，華中科技大學的教授們通過對光子的研究，重新確定了光子的靜止質(zhì)量上限。2012年，英國布里斯托爾大學、赫瑞瓦特大學和荷蘭卡弗里納米科學研究所的科學家們在最新一期的《物理評論學快報》上發(fā)表了他們的研究成果，他們成功實現(xiàn)了快速控制單光子的路徑和偏振。2019年7月31日，大型強子對撞機的超環(huán)面儀器實驗團隊宣布找到光子與光子散射的確切證據(jù)，超過背景期望值8.2 個標準差。2021年5月，中國的高海拔宇宙線觀測站取得了重大突破，記錄到了1.4拍的伽馬光子，并更加明確了其來源。
2023年，歐洲核子研究中心（CERN）的超環(huán)面儀器實驗（ATLAS）和緊湊繆子線圈實驗（CMS）實驗團隊攜手發(fā)布報告，他們找到了希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子的首個證據(jù)。這種衰變有望提供間接證據(jù)，證明存在超出粒子物理學標準模型預測的新粒子。這些研究進展為理解光的行為和性質(zhì)，以及探索超出標準模型的新物理提供了重要的線索。
參考資料 >
中國科學家重新確定光子質(zhì)量上限.中國政府網(wǎng).2023-09-09
科學家實現(xiàn)快速操控光的量子狀態(tài).科學網(wǎng).2023-09-09
Ion Collisions Reveal Photon-Photon Scattering.Physics.2023-10-17
二〇二一，聽中國科技的強勁足音.光明網(wǎng).2023-09-09
國際要聞回顧（5月29日—6月4日）.中國科技網(wǎng).2023-09-09