我们都知道，原子可以吸收和释放光。在大多数情况下，一个原子会向所有可能的方向发射光粒子。因此，重新捕获这个光子是相当困难的。然而，科学家在理论上证明，使用一种特殊的透镜，一个原子发射的单个光子可以保证被第二个原子重新吸收。第二个原子不仅可以吸收光子，而且还能直接将其返回给第一个原子。通过这种方式，原子一次又一次精确地将光子传递给彼此，就像打乒乓球一样。

最近，一篇发表在《物理评论快报》的论文深入研究了这个令人兴奋的领域。它探讨了如何利用专门设计的腔体、麦克斯韦鱼眼镜头，来实现两个远距离量子发射器之间的超快激发交换，这种交换由单光子脉冲介导。

该研究背后的核心原理是多模式强耦合的概念。与单模腔不同，单模腔中光与单个电磁模式相互作用，多模腔支持具有不同空间和光谱特性的多个模式。这为光-物质相互作用创造了更丰富的环境，为操纵量子态提供了新的可能性。

该研究使用的麦克斯韦鱼眼透镜是一种令人着迷的光学设备，该镜头能够以最小的畸变而获得最广泛的视野而闻名。这种独特的性质源于它的非均匀折射率剖面。研究表明，透镜的这一特性可以被用来制造多模腔。在透镜内传播的光线与其折射率分布相互作用，导致多腔模式的激发。

作者提出了一种在麦克斯韦鱼眼镜头内放置的两个量子发射器之间实现脉冲激发交换的方法，这种交换依赖于单光子脉冲的概念。通过仔细调整这些脉冲的特性，研究人员证明了可以以受控和超快的方式将一个发射器的激发状态（即能量水平）转移到另一个发射器。这种转移发生在发射器、腔模式和单光子脉冲之间的复杂相互作用之下。

想象两个这样的发射器分别位于麦克斯韦鱼眼透镜腔的两端，研究人员用短脉冲光激发其中一个发射器。初始激发触发了被激发发射极和不同腔模式之间的能量传递。这些模式反过来又作为波导携带激发能穿过腔。腔模式之间错综复杂的相互作用确保了激励以受控和同步的方式到达另一个发射器。

该论文又进一步探讨了将这种激发交换扩展到涉及两个原子集合的场景的可能性。这种集合方法的优点是增强了系统与腔模式之间的耦合强度。结果，激发交换过程的效率可以显着提高。

研究中采用的理论框架基于旋转波近似。这种近似通过忽略某些高频项简化了光场与量子发射器之间的复杂相互作用。虽然这种方法提供了一个有价值的起点，但未来的研究可能会纳入更复杂理论模型来捕获系统的完整动力学。

该研究中提出的理论框架为量子信息处理中令人兴奋的新可能性铺平了道路。利用多模腔相干操纵量子发射体激发态的能力为量子通信和计算的应用打开了大门。一个潜在的应用是开发量子中继器，这对于扩展量子通信网络的范围至关重要。该脉冲激励交换机制可以实现这种网络中远距离节点之间的高效纠缠交换。