一个延续了60年的量子力学极限,被突破了?

本文来自微信民众号:道理(ID:principia1687),作者:啵啵,题图来自:视觉中国

在上世纪60年代,物理学家胜利制造出了一种天然界没有的奇异光源,那就是激光。可以说,这一发明彻底改变了汗青的历程。在20世纪后半叶,激光成为了研讨天然科学、医学和工程手艺领域中的问题的主要东西。现如今,每一年激光的市场规模已超过了百亿美圆。

激光和传统光源的一个主要区分就在于光束的“相关性”。相关性决议了激光束在实行种种邃密精美使命时的才能,高度的相关性使激光合适运用在高精度器件上,比如在掌握量子盘算机的组件时,就须要一个特定频次的高度相关光束来长时间地掌握大批的量子比特,而将来的量子盘算机大概还须要相关性更强的光源。

当物理学家在对激光的相关性举行量化时,须要同时斟酌光的粒子性子和波性子。关于一个抱负的激光器来讲,激光的相关性可被粗略地以为是以雷同的相位被一连发射到一束光束中的光子的数目,这个数字可以比激光自身的光子数目要大很多。一向以来,物理学家一向置信,激光相关性的上限,受限于激光中的光子数目的平方。

一个延续了60年的量子力学极限,被突破了?

 激光束中含有大批以雷同相位活动的光子。| 图片泉源: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讨方面做出的孝敬而获得了诺贝尔物理学奖。他们断言了规范激光器的相关性遵照这个规律。

然则近来,两项新的研讨表明,激光的相关性大概比肖洛和汤斯所以为的要高很多。

在肖洛和汤斯的年代,他们对能量是怎样增加到激光(增益)以及能量是怎样开释而构成光束(消耗)做出了假定。这些假定在当时是合理的,而且依然适用于如今的激光器。然则,量子力学并不须要如许假定。在过去十年摆布的时间里,量子手艺取得了惊人的提高,因而,我们大概不再须要遭到这类假定的限定。

在两项突破了肖洛-汤斯极限的研讨中,个中一篇论文被宣布在近期的《天然-物理》杂志上。在这项研讨中,格里菲斯大学的物理学家提出了一种新的模子,他们假定一束由激光器所发生的光束,具有与抱负激光器发生的光束邻近的性子,而且它们不受外部其他的相关性滋扰。基于这一模子,他们推导出相关性的上限正比于激光中光子数目的四次方,这比肖洛和汤斯所以为的平方要大很多。与此同时,研讨人员还发明,这类激光器在理论上可以运用超导量子位手艺和现在最胜利的量子盘算机中运用的电路来完成。

第二项研讨是由匹兹堡大学的物理学家完成的,他们的研讨效果现在被宣布在了预印网站arXiv上,正在守候偕行评审。在这项研讨中,他们运用了一种稍微差别的要领,终究得到了相关性以激光中的光子数目的三次方形式增进的模子。如今,他们正在研讨怎样用超导装配来制造出如许的激光器。

值得申明的是,在这两种状况下的激光器所发生的都不是可见光激光,而是微波激光。然则,这正是超导量子盘算所需的那种光源。

在激光的相关性与激光中光子数的关联中,肖洛和汤斯的极限是相关性正比于激光中光子数目的平方;匹兹堡大学的研讨效果以为相关性正比于激光中光子数目的立方;而在格里菲斯大学的模子中,相关性正比于激光中光子数目的四次方。那末,还会涌现相关性更高的模子吗?

物理学家以为,这类状况应当不会涌现。这也是格里菲斯的物理学家在宣布于《天然-物理》杂志上的那篇论文中所证实的一个主要效果。作者在论文中示意,肖洛-汤斯的极限是一个规范量子极限,而与光子数的四次方成正比的相关性,则是一个最终量子极限,或许说是海森堡极限(逾越规范要领所能到达的极限,与海森堡的不确定性道理有关),这是量子力学所能许可的最好效果。

物理学家示意,这类理论上的“海森堡极限”激光器,在实际操作中是有大概完成的。而这类最好效果所能带来的,也将不仅仅是激光器在设想和性能上的一场反动,它还将能带来关于“激光是什么”这一基础性问题的从新思索。

新论文的通信作者Howard Wiseman评论说,往往是在反动入手下手之时,没有人知它终究可否胜利;但假如这两篇论文中的模子可以成为实际,那末这两篇论文将大概为开启某些新的运用打响第一枪。

参考泉源:

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

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