香港科技大学教授证实单光子不能超越光速

香港科技大学（科大）物理学研究人员在杜胜望教授的带领下，不但首次成功在实验中观测到单个光子（光的基本粒子）的前驱波，还首证单个光子不能超越光速极限c，从而验证爱因斯坦的理论依旧有效，即没有任何物体的运动可以比真空中的光走得更快，平息了过去十年来有关单光子速度的争论。

科大物理学系助理教授杜胜望及其研究团队的研究结果最近于《物理评论快报》中刊登。文章的合作撰写人包括科大物理学系研究生张善超、陈洁菲和刘畅，以及两位讲座教授雷明德和王克伦。杜教授团队亦已于过去两年第五次获声誉卓着的《物理评论快报》刊登研究文章，更凭着上述研究第二次获选为《物理评论快报》编辑推介论文。此外，该研究并获美国物理协会在其物理学纲要中以题为「单光子遵从光速极限」作重点推介。

杜胜望教授团队的研究显示，单光子跟一般的电磁波同样都遵守爱因斯坦的相对论。爱因斯坦指出，光速是星际旅行的极限速度，简单来说，即没有任何实体的运动可以超越真空中的光速。杜教授团队不但首次成功找到单光子的光前驱波，而且证实以光速传播的光前驱波永远是单光子波包中最快的部分，即使是在所谓的「超光速（群速度）」介质里。

杜教授表示：「我们的研究结果将有助加深对单个光子运动的理解，以及确定了光讯息传播速度的上限。我们证实了单光子速度不能超越光速，平息了过去有关单光子速度的争论﹔从应用层面来看，这项研究结果亦将加深科学家们对量子讯息传播机理的理解。」

科大校长陈繁昌教授称：「杜胜望教授与研究团队成功证实物理学中的关键特质，对资讯传播技术带来深远的影响，我对此感到十分欣喜。他们的研究成果，充分体现科大的使命，透过发展及深化基础理论，提升科研对社会发展的影响力。作为一所着重科研的研究型大学，科大将继续透过多方面的突破性研究，促进基础理论与应用科学的发展。」

十几年前光脉冲在介质中超光速传播现象的发现，曾经引起无数人对时间穿梭的的遐想。然而，随后人们失望地发现那只不过是一大群光子组成的光脉冲的群速度，是一种视觉效应，并不能用来传递信息。于是人们寄望于单光子，因为在奇异的量子世界里似乎什么都有可能：或许单个光子在那里可以超光速，因为它可以不需要遵守经典世界里的规则。由于缺少实验的证据，物理学家们对这个问题也是争论不休。为了解决上述问题，杜教授团队成功控制单个光子的量子波包，并测量了单光子的速度极限。研究发现，单个光子也不能超越光速c，印证了爱因斯坦的理论，即结果不能先于原因出现。

科大团队进行研究时，不但需要制造单个光子，更要将单个光子的光前驱波（位于光学脉冲最前端）从光子波包其他部分分离出来。为了达到以上效果，杜教授团队先预备一对光子，然后引导其中一个光子通过一团镭射（激光）冷却的铷原子，利用电磁诱导透明的技术，终于成功观察单个光子的光前驱波，带来革命性突破。

团队发现，光前驱波为单光子速度最快的部分，永远以真空中的光速移动。单个光子的主要波包，无论在任何介质中均不能超越光在真空中的速度。在慢光介质实验里，该团队成功将其延迟达500纳秒。在快光媒介内，尽管一个光脉冲的群速度可以比真空的光速快，但单个光子的任何部位则不能超越光前驱波，即光速。

杜胜望教授2008年加入科大物理学系成为助理教授，之前曾于美国史丹福大学担任博士后学者。杜教授分于别南京大学及北京大学，取得电机工程学士及物理硕士学位，并于美国科罗拉多大学波尔德分校取得电机工程硕士与物理学博士学位。