關於宇宙本質一些懸而未決的最大問題與光、真空（即既不存在物質也不存在輻射的空間）以及它們與時間的關係有關。在過去，物理學家和哲學家已經解決了各種各樣的複雜問題，例如，真空的本質是什麼，光的傳播如何與時間的流逝相聯繫？康斯坦茨大學科學家進行了一項研究，探索光和真空波動的量子態，以及它們與時間的相互作用，其研究成果表在《自然物理》上。
研究介紹了一個新理論框架來描述超短時間尺度上光和真空的量子態。研究人員的研究重點是「壓縮光」，它本質上是由具有重新分布或「壓縮」電磁波動的光脈衝組成。Kizmann和同事們揭示了光或真空的電磁場與時間之間存在著直接依賴關係。開展這項研究的研究人員之一馬蒂亞斯·基茲曼(Matthias Kizmann)說：此前阿爾弗雷德·雷滕斯託弗教授和他的團隊，同樣來自康斯坦茨大學，是第一個通過實驗證明光的真空波動可以直接測量的人。
從那時起，我們就有興趣開發一種新理論來描述真空波動在非常短的時間內發生。這讓該研究的科學家想到一個問題，真空波動是否也可以在很短的時間內被操縱，從而產生所謂的壓縮光。在研究論文中，研究人員描述了被稱為「泵」場的強場與非線性晶體中電磁真空之間的相互作用。由於這種相互作用，場在時間上重新分布了真空波動，導致這些波動要麼增強要麼被抑制的時間間隔，這個過程被稱為擠壓。
通常必須計算整個電場來描述產生的影響，但是現在發現了如何將壓縮描述為時間流的變化。被擠壓態屬於所謂非經典光態的更廣泛類別，與經典雷射相比，這些狀態呈現出各種迷人的新特性。因此，非經典光態在量子信息或量子光譜學領域的未來技術發展中扮演著重要角色。Kizmann和同事們收集了一些有趣的觀察結果，描述了光和真空是如何與時間相關的。開發了一個物理模型，可以用來描述超短時間尺度上的光和真空電磁場的量子態。
研究還概述了如何在真空中操縱電磁場，即所謂的真空漲落。從本質上講，光由波或振蕩的電場和磁場組成。在19世紀人們認為在黑暗中，這些電場等於零。然而，量子理論認為，一個黑暗的真空空間實際上並不完全是空的，因為它包含了一些微小波動。這些波動會在磁場中引發輕微的運動，被稱為真空波動。這些波動會從一個變量重新分布到另一個變量(例如從電場到磁場)，這就是真空壓縮。這項研究的首席研究員Guido Burkard說：我們已經研究了真空波動是如何在時間上被控制的。
並且發現還可以把波動從一個時間點重新分配到另一個時間點。事實證明，從光脈衝看到的時間流可以在非線性光學材料中得到修正，而這種時間流的變化與波動的變化直接相關。Kizmann、Burkard和同事收集的觀測結果與相對論中的時間相對論有一些相似之處。在研究中，將量子力學和相對論進行了類比，這兩個領域在過去的物理學研究中常常難以調和。觀察和所提出的類比，最終可能增進我們目前對量子物理學和相對論之間關係的理解。研究人員還認為，壓縮量子光的超短脈衝不久就能在實驗室中得到驗證和觀察。
參與這項研究的另一名研究人員安德烈·莫斯卡連科(Andrey Moskalenko)說：我們認為，量子光的狀態持續時間可達1飛秒(10^-15秒)，很快就會在實驗中實現並表徵出來。然後它們就可以作為一種新的量子工具，用於超快光譜學，在如此短的時間內探測物質的過程。這將使我們了解目前隱藏但非常重要的超快現象，這些現象決定了新型量子器件的關鍵特性。這項研究提供了關於光和真空量子態及其與時間關係的迷人新見解。
開發的理論最終將有助於在量子光學和量子信息應用中使用依賴於時間的光量子態。在未來研究中，研究人員計劃進一步探索這個主題，研究在真空中發生的輕微運動與量子糾纏現象之間的關係。研究人員很好奇這些量子漲落的重新分布，是如何與量子糾纏相關的。量子糾纏是量子計算機的燃料，也是安全量子通信的一種資源，想知道如何測量(即真空場影響這些波動，以及壓縮態如何被用於超快光譜學。
博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys參考期刊《自然物理》《科學》《物理評論快報》DOI: 10.1038/s41567-019-0560-2DOI: 10.1126/science.aac9788DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.263601博科園｜科學、科技、科研、科普