一个持续了60年的量子力学极限，被突破了？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：啵啵，题图来自：视觉中国

一

在上世纪60年代，物理学家成功创造出了一种自然界没有的神奇光源，那便是激光。可以说，这一发明彻底改变了历史的进程。在20世纪后半叶，激光成为了研究自然科学、医学和工程技术领域中的问题的重要工具。现如今，每一年激光的市场规模已超过了百亿美元。

激光和传统光源的一个重要区别就在于光束的“相干性”。相干性决定了激光束在执行各种精密任务时的能力，高度的相干性使激光适合应用在高精度器件上，比如在控制量子计算机的组件时，就需要一个特定频率的高度相干光束来长时间地控制大量的量子比特，而未来的量子计算机可能还需要相干性更强的光源。

当物理学家在对激光的相关性进行量化时，需要同时考虑光的粒子性质和波性质。对于一个理想的激光器来说，激光的相干性可被粗略地认为是以相同的相位被连续发射到一束光束中的光子的数量，这个数字可以比激光本身的光子数量要大得多。一直以来，物理学家一直相信，激光相干性的上限，受限于激光中的光子数量的平方。

 激光束中含有大量以相同相位运动的光子。| 图片来源：Peng Jiajie / Wikimedia Commons

这条“铁律”可以追溯到上世纪中。1958年，物理学家阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查尔斯·汤斯（Charles Townes）提出了激光理论，二人还因其在激光研究方面做出的贡献而获得了诺贝尔物理学奖。他们断言了标准激光器的相干性遵循这个规律。

然而最近，两项新的研究表明，激光的相干性可能比肖洛和汤斯所认为的要高得多。

二

在肖洛和汤斯的年代，他们对能量是如何增加到激光（增益）以及能量是如何释放而形成光束（损耗）做出了假设。这些假设在当时是合理的，并且仍然适用于现在的激光器。但是，量子力学并不需要这样假设。在过去十年左右的时间里，量子技术取得了惊人的进步，因此，我们可能不再需要受到这类假设的限制。

在两项突破了肖洛-汤斯极限的研究中，其中一篇论文被发表在近期的《自然-物理》杂志上。在这项研究中，格里菲斯大学的物理学家提出了一种新的模型，他们假设一束由激光器所产生的光束，拥有与理想激光器产生的光束相近的性质，并且它们不受外部其他的相干性干扰。基于这一模型，他们推导出相干性的上限正比于激光中光子数量的四次方，这比肖洛和汤斯所认为的平方要大得多。与此同时，研究人员还发现，这种激光器在理论上可以利用超导量子位技术和目前最成功的量子计算机中使用的电路来实现。

第二项研究是由匹兹堡大学的物理学家完成的，他们的研究结果目前被发表在了预印网站arXiv上，正在等待同行评审。在这项研究中，他们使用了一种略微不同的方法，最终得到了相干性以激光中的光子数量的三次方模式增长的模型。现在，他们正在研究如何用超导装置来制造出这样的激光器。

值得说明的是，在这两种情况下的激光器所产生的都不是可见光激光，而是微波激光。但是，这正是超导量子计算所需的那种光源。

三

在激光的相干性与激光中光子数的关系中，肖洛和汤斯的极限是相干性正比于激光中光子数量的平方；匹兹堡大学的研究结果认为相干性正比于激光中光子数量的立方；而在格里菲斯大学的模型中，相干性正比于激光中光子数量的四次方。那么，还会出现相关性更高的模型吗？

物理学家认为，这种情况应该不会出现。这也是格里菲斯的物理学家在发表于《自然-物理》杂志上的那篇论文中所证明的一个重要结果。作者在论文中表示，肖洛-汤斯的极限是一个标准量子极限，而与光子数的四次方成正比的相干性，则是一个终极量子极限，或者说是海森堡极限（超越标准方法所能达到的极限，与海森堡的不确定性原理有关），这是量子力学所能允许的最好结果。

物理学家表示，这种理论上的“海森堡极限”激光器，在实际操作中是有可能实现的。而这种最好结果所能带来的，也将不仅仅是激光器在设计和性能上的一场革命，它还将能带来对于“激光是什么”这一根本性问题的重新思考。

新论文的通讯作者Howard Wiseman评论说，往往是在革命开始之时，没有人知它最终能否成功；但如果这两篇论文中的模型能够成为现实，那么这两篇论文将可能为开启某些新的应用打响第一枪。

参考来源：

https://theconversation.com/reimagining-the-laser-new-ideas-from-quantum-theory-could-herald-a-revolution-147436

https://www.photonics.com/Articles/Quantum_Theorists_Rise_Beyond_Decades-Old_Laser/a66322

https://phys.org/news/2020-10-year-old-limit-lasers-overturned-quantum.html

https://www.nature.com/articles/s41567-020-01049-3

https://arxiv.org/abs/2009.03333

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：啵啵