光是一种电磁波，怎样才能发射1个单光子，并且检测

按照经典的麦克斯韦电磁学，光是一种电磁波，是一个交变的电磁场，在真空中的传播速度是30万公里每秒，这也是物质传播速度的极限。

●我们通常所说的光，是指肉眼可见的电磁波，它的波长在380~780纳米之间。

但是，实际上有些动物可以看到波长更长的电磁波。比如说狗就可以看到一部分红外线之外的电磁波，所以在一些黑暗的森林里面，狗会提前发现危险。

但是，纯粹用电磁波的理论，有一些物理现象，没办法解释，比如说光电效应。

光照射到金属上的时候，可以让金属释放出电子，但是电子的发射情况只和光的波长有关，和光照射强度没有关系。

爱因斯坦因为用量子效率正确的解释了光电效应，在1921年获得了诺贝尔奖。

量子力学对于电磁波的解释：电磁波是大量光子的统计效应。

光子的能量量子数对应于电磁波的电场分量，而频率量子数对应于电磁波的磁场分量。

按照量子力学，每一颗光子都有固定的能量，这就好像每一个玻璃球都有固定的大小一样。

假如有一大堆的玻璃球装在一个袋子里面，我们怎么样每一次都恰好挤出一个玻璃球呢？

那么，按照这种生活常识中的经验，逻辑应该是这样的：控制这个出口的大小，恰好能够通过一个玻璃球，挤出一个玻璃球以后，立刻关闭这个出口。

发射一个单光子，也可以按照这样的逻辑。

也就是说，我们恰好让发射光子的机器，能够输出一个光子具备的能量。

光子的能量完全取决于它的波长或频率，因为光以光速传播，我们可以用波长的任一频率来描述它。

光子的能量可以通过普朗克方程是E=h*c/λ=h*f计算得到。

其中：E是光子的能量，h是普朗克常数，c是光速，λ是光子的波长，f是光子的频率，普朗克常数h=6.6261×10−34焦耳。

单光子的能量是很小的，因为普朗克常数非常小。波长为520nm的绿光单光子的能量为2.38ev。

由于单光子含有的能量很小，而且尺度也很小，这就增加了控制上的困难。

我们挤出玻璃球的时候，肉眼可以看到玻璃球，但是我们发射光子时，没有办法看到光子的大小，因为你不可能用一束光去观察光。

所以，我们发射光子的时候，先控制时间，通过时间控制发射能量，来得到一个单光子。

这也可以用波长来控制，这两者是等价的。

一个激光发射器的功率，除以单光子的功率乘以一秒钟，就是所需要的时间。这个时间会非常、非常、非常的短暂。

理论上，用极短时间的激光脉冲可以产生单光子。但是也有可能产生多个光子，为了屏蔽掉多余的光子，会通过一条很窄的缝，让光场强度在空间上形成弗朗禾费衍射分布，正对缝的正中间照射到一个量子点，激发原子核外电子。核外电子从高能级向低能级回跳的时候，就会发射出一个光子。

通过缩短激光脉冲的时间，并且调整弗朗禾费衍射光场分布，可以恰好让一个光子的能量落在正中间的原子激发点位上。

通过这个原子激发点位发射出来的光子，就是单光子。

相比较于发射一个单光子，检测一个单光子要容易得多。

让发射装置透过一个45度倾斜放置的半反射半透膜，当光子打在这个半反射半透膜上，只有两种可能性：50%概率穿过，50%概率被反射。

所以，穿越端和反射端不可能同时检测到光子。

只要每一次的激光脉冲，只有一端可以检测到光子，就证明了这是一个单光子。

这样我们就得到了一个可以发射单光子的实验装置，可以用它来做被称为很恐怖的量子延迟选择实验，以及量子擦除实验。