香港科技大學教授證實單光子不能超越光速

香港科技大學（科大）物理學研究人員在杜勝望教授的帶領下，不但首次成功在實驗中觀測到單個光子（光的基本粒子）的前驅波，還首證單個光子不能超越光速極限c，從而驗證愛因斯坦的理論依舊有效，即沒有任何物體的運動可以比真空中的光走得更快，平息了過去十年來有關單光子速度的爭論。

科大物理學系助理教授杜勝望及其研究團隊的研究結果最近於《物理評論快報》中刊登。文章的合作撰寫人包括科大物理學系研究生張善超、陳潔菲和劉暢，以及兩位講座教授雷明德和王克倫。杜教授團隊亦已於過去兩年第五次獲聲譽卓著的《物理評論快報》刊登研究文章，更憑著上述研究第二次獲選為《物理評論快報》編輯推介論文。此外，該研究並獲美國物理協會在其物理學綱要中以題為「單光子遵從光速極限」作重點推介。

杜勝望教授團隊的研究顯示，單光子跟一般的電磁波同樣都遵守愛因斯坦的相對論。愛因斯坦指出，光速是星際旅行的極限速度，簡單來說，即沒有任何實體的運動可以超越真空中的光速。杜教授團隊不但首次成功找到單光子的光前驅波，而且證實以光速傳播的光前驅波永遠是單光子波包中最快的部分，即使是在所謂的「超光速（群速度）」介質裡。

杜教授表示：「我們的研究結果將有助加深對單個光子運動的理解，以及確定了光訊息傳播速度的上限。我們證實了單光子速度不能超越光速，平息了過去有關單光子速度的爭論﹔從應用層面來看，這項研究結果亦將加深科學家們對量子訊息傳播機理的理解。」

科大校長陳繁昌教授稱：「杜勝望教授與研究團隊成功證實物理學中的關鍵特質，對資訊傳播技術帶來深遠的影響，我對此感到十分欣喜。他們的研究成果，充分體現科大的使命，透過發展及深化基礎理論，提升科研對社會發展的影響力。作為一所著重科研的研究型大學，科大將繼續透過多方面的突破性研究，促進基礎理論與應用科學的發展。」

十幾年前光脈衝在介質中超光速傳播現象的發現，曾經引起無數人對時間穿梭的的遐想。然而，隨後人們失望地發現那隻不過是一大群光子組成的光脈衝的群速度，是一種視覺效應，並不能用來傳遞信息。於是人們寄望於單光子，因為在奇異的量子世界裡似乎什麼都有可能：或許單個光子在那裡可以超光速，因為它可以不需要遵守經典世界裡的規則。由於缺少實驗的證據，物理學家們對這個問題也是爭論不休。為了解決上述問題，杜教授團隊成功控制單個光子的量子波包，並測量了單光子的速度極限。研究發現，單個光子也不能超越光速c，印證了愛因斯坦的理論，即結果不能先於原因出現。

科大團隊進行研究時，不但需要製造單個光子，更要將單個光子的光前驅波（位於光學脈衝最前端）從光子波包其他部分分離出來。為了達到以上效果，杜教授團隊先預備一對光子，然後引導其中一個光子通過一團鐳射（激光）冷卻的銣原子，利用電磁誘導透明的技術，終於成功觀察單個光子的光前驅波，帶來革命性突破。

團隊發現，光前驅波為單光子速度最快的部分，永遠以真空中的光速移動。單個光子的主要波包，無論在任何介質中均不能超越光在真空中的速度。在慢光介質實驗裡，該團隊成功將其延遲達500納秒。在快光媒介內，儘管一個光脈衝的群速度可以比真空的光速快，但單個光子的任何部位則不能超越光前驅波，即光速。

杜勝望教授2008年加入科大物理學系成為助理教授，之前曾於美國史丹福大學擔任博士後學者。杜教授分於別南京大學及北京大學，取得電機工程學士及物理碩士學位，並於美國科羅拉多大學波爾德分校取得電機工程碩士與物理學博士學位。