每一年雷射的市場規模已超過了百億美元

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每一年雷射的市場規模已超過了百億美元

原理 發表於 2020-11-20 14:47:51

在上世紀60年代，物理學家成功創造出了一種自然界沒有的神奇光源，那便是雷射。可以說，這一發明徹底改變了歷史的進程。在20世紀後半葉，雷射成為了研究自然科學、醫學和工程技術領域中的問題的重要工具。現如今，每一年雷射的市場規模已超過了百億美元。

雷射和傳統光源的一個重要區別就在於光束的「相干性」。相干性決定了雷射束在執行各種精密任務時的能力，高度的相干性使雷射適合應用在高精度器件上，比如在控制量子計算機的組件時，就需要一個特定頻率的高度相干光束來長時間地控制大量的量子比特，而未來的量子計算機可能還需要相干性更強的光源。

當物理學家在對雷射的相關性進行量化時，需要同時考慮光的粒子性質和波性質。對於一個理想的雷射器來說，雷射的相干性可被粗略地認為是以相同的相位被連續發射到一束光束中的光子的數量，這個數字可以比雷射本身的光子數量要大得多。一直以來，物理學家一直相信，雷射相干性的上限，受限於雷射中的光子數量的平方。

雷射束中含有大量以相同相位運動的光子。| 圖片來源：Peng Jiajie / Wikimedia Commons

這條「鐵律」可以追溯到上世紀中。1958年，物理學家阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查爾斯·湯斯（Charles Townes）提出了雷射理論，二人還因其在雷射研究方面做出的貢獻而獲得了諾貝爾物理學獎。他們斷言了標準雷射器的相干性遵循這個規律。

然而最近，兩項新的研究表明，雷射的相干性可能比肖洛和湯斯所認為的要高得多。

在肖洛和湯斯的年代，他們對能量是如何增加到雷射（增益）以及能量是如何釋放而形成光束（損耗）做出了假設。這些假設在當時是合理的，並且仍然適用於現在的雷射器。但是，量子力學並不需要這樣假設。在過去十年左右的時間裡，量子技術取得了驚人的進步，因此，我們可能不再需要受到這類假設的限制。

在兩項突破了肖洛-湯斯極限的研究中，其中一篇論文被發表在近期的《自然-物理》雜誌上。在這項研究中，格裡菲斯大學的物理學家提出了一種新的模型，他們假設一束由雷射器所產生的光束，擁有與理想雷射器產生的光束相近的性質，並且它們不受外部其他的相干性幹擾。基於這一模型，他們推導出相干性的上限正比於雷射中光子數量的四次方，這比肖洛和湯斯所認為的平方要大得多。與此同時，研究人員還發現，這種雷射器在理論上可以利用超導量子位技術和目前最成功的量子計算機中使用的電路來實現。

第二項研究是由匹茲堡大學的物理學家完成的，他們的研究結果目前被發表在了預印網站arXiv上，正在等待同行評審。在這項研究中，他們使用了一種略微不同的方法，最終得到了相干性以雷射中的光子數量的三次方模式增長的模型。現在，他們正在研究如何用超導裝置來製造出這樣的雷射器。

值得說明的是，在這兩種情況下的雷射器所產生的都不是可見光雷射，而是微波雷射。但是，這正是超導量子計算所需的那種光源。

在雷射的相干性與雷射中光子數的關係中，肖洛和湯斯的極限是相干性正比於雷射中光子數量的平方；匹茲堡大學的研究結果認為相干性正比於雷射中光子數量的立方；而在格裡菲斯大學的模型中，相干性正比於雷射中光子數量的四次方。那麼，還會出現相關性更高的模型嗎？

物理學家認為，這種情況應該不會出現。這也是格裡菲斯的物理學家在發表於《自然-物理》雜誌上的那篇論文中所證明的一個重要結果。作者在論文中表示，肖洛-湯斯的極限是一個標準量子極限，而與光子數的四次方成正比的相干性，則是一個終極量子極限，或者說是海森堡極限（超越標準方法所能達到的極限，與海森堡的不確定性原理有關），這是量子力學所能允許的最好結果。

物理學家表示，這種理論上的「海森堡極限」雷射器，在實際操作中是有可能實現的。而這種最好結果所能帶來的，也將不僅僅是雷射器在設計和性能上的一場革命，它還將能帶來對於「雷射是什麼」這一根本性問題的重新思考。

新論文的通訊作者Howard Wiseman評論說，往往是在革命開始之時，沒有人知它最終能否成功；但如果這兩篇論文中的模型能夠成為現實，那麼這兩篇論文將可能為開啟某些新的應用打響第一槍。

責任編輯：lq

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