（a） 纠缠双光子作为分子超快探针的示意图，其中提出了通过β-硼酸钡（BBO）晶体的参数化下转换和多光子检测。（b） 量子快车微观模型的水平方案。（c） 量子快速汽车信号，采用甲烷（CH4）中的4种拉曼活性模式A1，E和T2。（d） QFRS中电子激发态的微观模型水平方案。（e） 将强度相关的QFRS与经典探头脉冲情况进行比较，以时间演变的电子相干性作为探头光子与谐振泵脉冲之间延迟T的函数。图片来源：张哲东等
近年来，纠缠光子——一种流行的量子光源——被广泛应用于量子成像、光学干涉测量、量子计算、量子通信等领域。自发的参数化下变频产生具有守恒能量和动量的纠缠光子对，从而编码空间和时间中的量子相关性。这种性质使量子优势克服了成像和检测领域经典脉冲的衍射极限。
分子光谱学中长期存在的瓶颈问题之一是在飞秒尺度上检测超快电子过程。电子相干性的动力学尤为重要。然而，受时频分辨率和激发态非相干通道的限制，现有的拉曼技术不能用于此目的。
在《光：科学与应用》杂志上新发表的一篇论文中，香港城市大学物理系的张哲东教授及其同事开发了一种飞秒时间分辨相干拉曼光谱，其纠缠光子导致QFRS（量子飞秒拉曼光谱）。
具体来说，由光子纠缠操纵产生的拉曼信号的超分辨性质在他们的工作中得到了体现 – 时间和光谱分辨率都可以同时实现。QFRS仅对电子相干性敏感。
这使得它特别适合在~50 fs的短时间尺度内检测电子激发态动力学。这种优势在之前研究的拉曼技术中是无法实现的，这些技术受到快速衰减或时频分辨率的瓶颈。这项工作为研究复杂材料（如分子，2D材料和激子，极化子）中的超快过程提供了新的视角，因为我们可以提取所需的弛豫和辐射过程。
量子拉曼光谱用来自纠缠光子源的信号光子束取代了经典的探针脉冲。惰轮光子光束用作重合测量的预示光束。因此，可以独立控制时间和光谱分辨率。这导致超分辨性质超越了时频关系的共轭。可以进一步进行外差检测以监测电子的相。他们工作的亮点总结如下：
“我们设计飞秒拉曼光谱的量子版本有三个目的：（1）在实时域中执行高分辨率抗斯托克斯拉曼光谱;（2）能够在超短时间尺度下对电子动力学进行成像;（3）要对分子激发的相位敏感，这样才能让检测灵敏度超过站立量子极限。
“我们的工作大大扩展了纠缠光的视野，并补充了纠缠光在复杂分子中最佳两个光子吸收过程背景下取得的光谱学进步。这项工作将有助于未来的实验和理论工作，“科学家们说。
更多信息：张哲东等，纠缠光子使时间 – 频率分辨相干拉曼光谱成为可能，并在飞秒尺度上应用于电子相干性，光：科学与应用（2022）。DOI： 10.1038/s41377-022-00953-y
期刊信息：光：科学与应用
