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基于单光子水平光源的光谱学为光谱学和成像引入了新的变量。研究人员将这种方法称为量子光光谱学（quantum-light spectroscopy, QLS）。本文简要描述了不同类型光子源的光子统计特性以及光子纠缠。随后，我们通过一些当前的实验实例来说明QLS的
基于单光子水平光源的光谱学为光谱学和成像引入了新的变量。研究人员将这种方法称为量子光光谱学（quantum-light spectroscopy, QLS）。本文简要描述了不同类型光子源的光子统计特性以及光子纠缠。随后，我们通过一些当前的实验实例来说明QLS的潜力，包括利用单光子进行的时间分辨光谱学和量子增强光学成像，展示了这些方法如何依赖于光子对中纠缠光子之间的相关性。接着研究人员提出疑问：物理化学家如何利用QLS来揭示新的物理见解？例如，我们能否解决经典光源难以处理的关于光与分子或材料相互作用的基本问题？QLS是否开辟了以比经典光更高的光谱和时间分辨率组合来研究高度拥挤光谱的技术？QLS的概念还开启了研究基本问题的潜力，例如单个光子吸收产生的初始激发态是什么？研究人员还指出了将QLS扩展到更复杂光谱学（如多维光谱学）所面临的实验挑战。最后，研究人员简要选取了近期一些旨在扩展QLS能力的理论提案。
**论文解读：量子光光谱学——为物理化学开启新维度**
**一、研究背景与问题提出**
光谱学作为探索光与物质相互作用的核心工具，其发展深刻影响了物理化学的进程。然而，长期以来，在化学领域的大多数应用中，人们仅将分子或材料视为量子力学系统，而光本身则被当作经典电磁波来处理。这一范式虽然取得了巨大成功，但也面临根本性局限。例如，在传统光谱学中，超快激光脉冲不可避免地会在测量过程中引入相干性，这使得我们无法回答一个基本问题：一个复杂的分子系统在非相干激发下，能否通过其自身的内部相互作用产生相干性？此外，光与物质相互作用中，单光子吸收的时间尺度、吸收单个光子后产生的初始激发态性质等问题，均无法用经典光光源进行直接探测。正是这些悬而未决的问题，推动了量子光光谱学这一新兴领域的诞生。
**二、研究内容与核心发现**
本论文发表于《ACS Central Science》，旨在系统阐述量子光光谱学的概念、潜力及其对物理化学学科的意义。研究人员首先指出，量子光光谱学的核心优势在于：（i）在光的量子水平上，即利用单光子或量子关联的光子对来激发和探测系统；（ii）在光谱测量中利用光子源/发射的光子统计特性。与经典光不同，量子光需要以光子产生和湮灭算符来描述，其光源、分束器等光学元件也需按量子力学原理工作。量子光源发出的光子可呈现反聚束（sub-Poissonian统计）等非经典统计特性，且光子对之间可能存在频率、时间、偏振或空间模式上的非局域量子关联，即纠缠。这种纠缠特性为突破传统光谱学中时间-频率不确定关系带来的限制提供了可能。
研究人员通过三个近期实验实例展示了QLS的当前能力。第一个实例是利用自发参量下转换（SPDC）产生的纠缠光子对进行单光子时间分辨光谱学。在Li等人的实验中，SPDC产生的一对信号-闲置光子中，一个光子用于激发样品，另一个“预报”光子作为时间参考。通过统计预报光子与荧光光子之间的时间关联，研究人员实现了单光子激发后的荧光时间分辨测量。该实验以LH2细菌捕光色素-蛋白复合物为研究对象，回答了一个看似简单的问题：供体-受体系统中，产生一个受体荧光光子最可能需要多少个输入光子？答案是“一进一出”，证明了微观单元的内量子效率。该实验还解决了长期以来关于激光脉冲激发是否会人为印记相干性于激子动力学的争论，因为单光子激发避免了超快激光脉冲产生的大量光子所固有的相干性干扰。
第二个实例展示了纠缠光子对在降低双光子吸收通量依赖方面的潜力。双光子吸收（TPA）广泛应用于深层组织和三维成像显微镜，但其所需的高激发通量是主要缺点。利用时间-频率纠缠的光子对，双光子吸收概率理论上可随激发通量线性变化，而非经典情况下的二次方依赖。实验表明，在相似对比度下，量子双光子图像所需的通量比经典情况低约5×10?倍，大幅降低了样品损伤风险。
第三个实例涉及量子增强光学成像。利用光的量子特性，可以实现噪声水平低于散粒噪声、突破分辨率极限以及在不同于样品透射波长的波段工作的新型成像方法。例如，SPDC产生的光子对即使波长相差悬殊（如红外-可见），其相关性依然保持，这催生了基于感应相干现象的红外显微镜——用可见光子探测红外信息。此外，振幅压缩光可将光学跟踪脂质颗粒的信噪比超越量子噪声极限42%，压缩斯托克斯频率光可将完整酵母细胞的拉曼显微信噪比提升35%。Hong-Ou-Mandel干涉仪则利用不可分辨光子的干涉效应，实现了阿秒级时间延迟和纳米级距离的高精度测量。
**三、主要技术方法**
研究人员为开展上述研究，主要运用了以下关键技术方法：（1）自发参量下转换技术，用于产生时间-频率纠缠的光子对；（2）单光子计数与时间关联测量技术，包括预报单光子探测和符合计数；（3）时间分辨荧光光谱技术，结合了单光子激发与时间相关单光子计数；（4）压缩光技术，用于增强成像和光谱测量的信噪比；（5）Hong-Ou-Mandel干涉测量技术，用于高精度距离/时间延迟测量；（6）纠缠双光子吸收显微技术，用于低通量成像。样本来源包括LH2细菌捕光色素-蛋白复合物、双（苯乙烯基）苯衍生物薄膜、完整酵母细胞、乳腺癌细胞、脑组织及植物根-根际细菌系统等。
**四、研究结果分述**
**（一）单光子时间分辨光谱学实验**：通过SPDC产生的预报单光子激发LH2复合物，测量B800吸收后的B850发射的荧光产率、寿命和光子统计。结果表明单光子激发下荧光产率与寿命和赝热光激发一致，输入和输出光子统计在纳秒时间尺度上相同，证明了光捕获动力学不改变光子统计特性。
**（二）纠缠双光子吸收实验**：研究表明纠缠光子对可使双光子吸收概率随激发通量线性变化，在低通量区域，纠缠双光子成像所需通量比经典TPA低约10?倍。尽管关于单光子过程贡献的争论仍在继续，但纠缠和经典TPA截面不同的光谱趋势暗示两种光源可能产生不同的光化学结果。
**（三）量子增强成像实验**：利用压缩光分别实现了超越量子噪声极限42%的脂质颗粒光学追踪和信噪比提升35%的酵母细胞拉曼显微镜。基于感应相干的红外显微镜实现了可见光探测的红外高光谱显微成像。Hong-Ou-Mandel干涉仪实现了对细胞生物学相关透明样品中亚纳米级距离的高精度测量。
**（四）展望部分**：研究人员提出了单光子激发分子系统的两个基本问题：单个光子吸收产生什么初始激发态？单个光子吸收如何影响后续激发态动力学？理论研究表明，平均而言单光子激发产生的相干耦合激子-声子动力学与激光激发的区别仅在于基态和激发态之间缺乏相干性。
**五、讨论与结论**
研究人员指出，QLS为物理化学带来了若干独特优势。在可预见的未来，三个方向尤其值得关注：第一，利用纠缠光子对打破傅里叶变换对时间和频率分辨率的限制；第二，通过SPDC产生红外和可见光子对，在更方便探测的可见光波段记录红外光谱信息；第三，将多维光学光谱与纠缠光子对结合，有望通过选择性增强或抑制特定峰来简化复杂多组分系统的光谱分析，并研究双激子态相关现象。
然而，实现这些目标面临重大实验挑战，包括纠缠光子对产生效率低、单光子探测器技术有待普及等。研究人员强调，随着单光子源和单光子探测器技术的日益成熟，QLS将为探索光与物质相互作用的基本问题提供前所未有的工具，并在化学、生物学和材料科学等领域产生广泛应用前景。
**六、研究结论翻译**
量子光光谱学利用光的量子特性为光谱学和研究分子及材料带来了新的机遇。它可以提高信噪比，使难以探测的光谱区域信号在更易探测的光谱区域中被记录，并可能解答关于光激发制备的激发态初始状态及其后续动力学的基本问题。当前的实验已经证明了其在测定内量子效率、降低双光子吸收通量需求以及实现超越散粒噪声极限的成像等方面的实用性。尽管扩展至更复杂光谱学仍面临诸多挑战，但QLS的广阔应用前景将推动该领域的持续发展。
