与直觉相矛盾：单个二能级原子的两光子散射

光与物质的相互作用是量子光学的基础，也是许多量子技术的关键。当我们用一束近共振的激光照射一个单个的二能级原子时，我们可以观察到原子发出的荧光光子。这些光子有一个很特别的性质，就是它们永远不会同时出现在同一个地方。这可以理解为单个二能级原子只能吸收和发射单个光子，而不能同时处理两个或更多的光子。这种现象被称为光子抗聚束，是量子光学的一个重要标志。

然而，如果我们仔细分析原子与激光的相互作用，我们会发现这个过程并不是那么简单。原子发出的荧光光子可以分为两个部分，一个是与激光相干的部分，一个是与激光不相干的部分。这两个部分在光谱上有不同的特征，形成了著名的Mollow三重峰结构。有趣的是，当我们单独考虑这两个部分时，我们会发现它们都包含了高光子数的成分，也就是说，它们都有可能同时包含两个或更多的光子。这就与我们之前的直觉相矛盾了，因为我们认为单个二能级原子不能同时散射两个光子。

那么，这两个部分的高光子数成分是怎么来的呢？事实上，它们是由于两个可能的两光子散射过程的量子干涉造成的。我们可以把这两个过程称为相干和不相干的两光子散射。相干的两光子散射是指原子先吸收一个激光光子，然后同时发射两个荧光光子，再吸收另一个激光光子，回到基态。不相干的两光子散射是指原子先吸收一个激光光子，然后发射一个荧光光子，再吸收另一个激光光子，然后发射另一个荧光光子，回到基态。这两个过程的概率都很小，但是它们的干涉会导致荧光光子的光子统计发生变化。当我们考虑两个部分的总和时，我们会发现这种干涉会抵消掉高光子数的成分，从而导致光子抗聚束。当我们只考虑其中一个部分时，我们会发现这种干涉会增强高光子数的成分，从而导致光子聚束。

为了验证这个干涉图景，我们需要实验上分离出荧光光子的两个部分，并测量它们的光子统计。这是一个非常困难的任务，因为荧光光子的强度很低，而且与激光光子有很大的重叠。我们采用了一种巧妙的方法，利用一个光学滤波器来滤除荧光光子的相干部分，只保留不相干部分。这样，我们就可以观察到不相干部分的高光子数成分，也就是同时被原子散射的光子对。我们用一个高灵敏度的光子计数器来检测滤波后的荧光光子，发现它们确实表现出了强烈的光子聚束，也就是说，它们经常同时出现在同一个地方。这个结果证实了单个二能级原子确实能够同时散射两个光子，只是在正常情况下，这种效应被量子干涉所掩盖。

我们的实验结果为光与物质的量子力学相互作用提供了新的视角，也为高度非经典的光场的产生提供了新的途径。例如，我们可以利用这种方法来制造具有极高亮度的光子对源，接近理论极限。这种光子对源可以用于量子信息处理、量子计算、量子通信等领域，具有重要的应用价值。