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在双缝干涉实验中,实现单光子发射的关键是通过多级衰减器大幅降低激光器的输出强度。强激光束经过第一个衰减器后变成弱光,再经过第二个衰减器后变成极弱光。这样可以将光子的发射速率降低到平均每秒只有一个光子的水平,确保在光子传播过程中同时存在多个光子的概率极低。
光子的发射过程遵循泊松分布的统计规律。当我们将光源的平均发射速率降低到每秒一个光子时,根据泊松分布公式,在一秒钟内发射零个光子的概率约为37%,发射一个光子的概率也约为37%,而发射两个或更多光子的概率则大大降低。这种统计特性确保了在大多数时间内,实验装置中只有零个或一个光子存在。
更先进的单光子发射技术使用专门设计的单光子源,如单个原子、离子、量子点或固态缺陷中心。这些光源的工作原理是:当原子被激光脉冲激发到高能级后,它会自发地跃迁回基态,在这个过程中发射一个且只有一个光子。发射光子后,原子回到基态,需要重新激发才能发射下一个光子。这种方法比简单的光强衰减更可靠,能够真正实现按需的单光子发射。
在实验中,我们通过监测探测器的接收情况来确认是否实现了单光子发射。如果探测器在很长时间内只零星地接收到光子,且接收间隔远大于光子从光源传播到探测器所需的时间,就可以确认光子是一个一个到达的。光子的传播时间通常只有几十纳秒,而实际的接收间隔可能是几秒钟,两者相差约一亿倍,这样的时间比例确保了实验装置中同时存在多个光子的概率可以忽略不计。
总结一下,双缝干涉实验中单光子发射的实现主要依靠三种方法。首先是光强衰减法,通过多级衰减器将激光强度降低到极低水平,利用泊松分布的统计特性确保同时存在多个光子的概率极低。其次是使用专用的单光子源,如单个原子、离子或量子点,这些光源可以按需发射单个光子。最后通过探测器监测来确认实验效果。需要强调的是,这里的"一个一个发射"是通过统计控制实现的,而不是对每个光子进行精确的定时发射。这种方法成功地展示了光的波粒二象性这一量子力学的基本特征。