近年來，兩項尖端技術迅速發展：量子糾纏光源和超快受激拉曼光譜。量子糾纏是一種源于量子力學原理的獨特現象，其中粒子在很遠的距離上表現出瞬時相關性。該領域在量子通信、量子傳感和量子計算領域引起了極大關注，甚至獲得了 2022 年的諾貝爾物理學獎。相反，受激拉曼光譜代表了一種用于研究分子振動特性和相互作用的現代分析方法，為分子精細結構提供了寶貴的見解。其應用涵蓋化學分析、生物醫學研究、材料科學和環境監測等各個領域。通過結合這兩種技術，一種用于研究復雜分子材料的異常強大的分析工具應運而生。

在《光：科學與應用》雜志發表的一篇新論文中，由香港城市大學物理系張哲東教授和歐哲宇教授領導的科學家團隊開發了一種利用量子光場進行超快受激拉曼光譜的微觀理論。這項創新技術利用糾纏光子源的量子優勢來增強光譜信號的時間和光譜分辨率。此外，它還能對分子系統內發生的超快過程進行“高速成像”。本文旨在逐步引導讀者了解這一突破性概念。

一、什么是受激拉曼光譜?

受激拉曼散射是拉曼過程家族中的一種典型現象，與量子光場密切相關，其原理是入射光與樣品分子相互作用，導致散射光頻率發生偏移，這一過程涉及入射光與分子之間的能量轉移，散射光頻率的偏移與分子振動能級相關。受激拉曼光譜的關鍵突破在于其超快處理能力，傳統拉曼光譜需要大量的數據采集時間，而受激拉曼光譜利用超短激光脈沖快速獲取大量數據點，有助于快速檢索關鍵分子信息。

II. 為什么是量子糾纏光子源?

量子糾纏光子源是受激拉曼散射(一種雙光子過程)的重要組成部分。這些源提供糾纏光子對，當與物質相互作用時會誘發受激拉曼散射。此外，量子糾纏光子源具有非經典特性，例如光子對在時間、頻率或偏振方面的相關性。這打破了經典光的限制，確實顯著提高了光譜信號的頻率和時間分辨率。作者強調了利用糾纏光子源的幾個優點，指出分子主動充當拉曼泵浦和探測場的光束混合器，而不是單獨充當光散射的被動光束分束器。利用糾纏，量子超快受激拉曼光譜實現了超分辨光譜，其時頻尺度超出了經典界限。此外，多光子量子干涉導致光譜信號具有前所未有的選擇性，允許選擇性過渡途徑到分子關聯功能。

三、分子“高速攝像機”

某些分子系統表現出飛秒時間尺度(10^-15 秒)內發生的超快過程，如電子轉移和能量重新分配。理解這些快速運動對于推進成像設備、能量轉換和量子計算至關重要。然而，對這些超快過程的研究受到時間和能量尺度的限制。在本研究中，研究人員可以調整非線性過程的特定參數(如泵浦光的光譜寬度和非線性晶體的厚度)，以產生具有飛秒級關聯的糾纏光子對，同時保留它們的能量(頻率)關聯。這些產生的光子對滿足受激拉曼散射所需的能量轉移條件。當這種能量轉移過程與光子敏感分子中發生的超快過程耦合時，攜帶該過程信息的相應信號就會出現在光譜中，從而實現分子的高速成像。

四、量子光譜學的展望

“未來量子光譜技術的進步有望在量子物理和室溫量子調控領域帶來重大突破，也將推動更高效、更穩定的量子光源產生技術的發展，為光通信、量子計算、量子傳感等領域注入新的活力。”

此外，量子光譜學所衍生的高效、精確的光譜測量和分析方法有望在材料科學、化學反應和生物醫學研究等各個領域發揮重要作用。這項研究只是展示了量子光譜學潛力的冰山一角。通過利用這項技術，可以更深入地了解分子結構分析和動態觀察，推動相關領域的重大進展。