量子研究人員顛覆了60年來針對雷射發展上限值的舊限制

2020-11-02 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：量子光學相干性只能通過計算顆粒和光的波動特性來計算。對於理想的雷射束，其相干性可以粗略的認為是不斷發射的光子數進入同相的光束中。這一數值可以比雷射本身的光子數大得多。理想的雷射極限被認為是 μ exp（2）的幾次方。在這裡，假設雷射產生的光束的性質接近雷射束且沒有額外的相干源，我們可以實現雷射極限的上限值，這一結果發表在近日出版的Nature子刊《 Nature Physics》上。

超導 器件可以釋放雷射使其在極限量子極限 進行運行的藝術圖（藝術家; Ludmila Odintsova）

一個來自澳大利亞的量子理論家團隊為大家展示了如何打破一個信仰，這個信仰是60年以來，根深蒂固的限制雷射相干性的基礎理論。

我們的雷射模型的概念圖

雷射光束的相干性可以認為是一定數量的光子（光的顆粒或光的粒子）連續發射進入同一相中的光束中（均一起波動）。這一過程決定著光子如何實現和完成多變的精密的任務，如控制所有的量子計算機的部件。

如今，來自澳大利亞格裡菲斯大學（Griffith University）和麥考瑞大學（Macquarie University）的研究人員，以論文題目為「The Heisenberg limit for laser coherence」發表在Nature子刊《 Nature Physics》上的文章，表明新的量子技術是如何為實現比傳統大得多 的相干性打開了大門。

傳統的智慧可以追溯到1958年一篇著名的文章，是美國物理學家Arthur Schawlow 和d Charles Townes發表的。Howard Wiseman教授說到，他是項目的領導者和 Griffith』量子動力學研究中心的主任。

以上每一位人員都在雷射方面的研究工作獲得過諾貝爾獎。

他們在理論上證明光束的相干不能高於儲存在雷射中光子數的平方，他說到。

但他們假設了能量是如何施加到雷射中的和解釋了它又是如何從光束中進行釋放的。

這一假設在一定時期內聽起來還比較有道理，並且直到今天還依然應用在大多數的雷射中，但它並不是量子力學所需要的。

在我們的論文中，我們為大家展示了施加在量子力學中的真實的極限，其相干並不能高於儲存在雷射中的光子數的四次方，來自麥考瑞大學的副教授 Dominic Berry說到。

當儲存的光子數比較巨大的時候，就是其非常典型的狀態，我們新的上限值比舊的上限值要大得多。是的，

Nariman Saadatmand博士說到，他是教授Wiseman 研究小組的一員。

通過數值模擬，我們發現雷射的量子力學模型可以達到相干的理論上的上限值，光束的形式明顯同傳統的雷射不同。因此，對於這一新的超級雷射我們會看到什麼？

可能暫時還不會，Travis Baker先生說到，他是格裡菲斯大學從事該項目研究的一名博士生。

但我們的確證明了它是我們使用超導技術來構築真實的量子極限雷射成為可能，這一技術同當前最好的量子計算機所使用的技術是一樣的，並且我們提出的器件也許可以應用在這一領域中。

我們的工作提出了許多有趣的問題 ，諸如它是否可以允許更有能效的雷射，教授Wiseman說到，那將會是非常有益處的一件事情，因此，我們期望能夠自將來研究它。

文章來源：

Baker, T.J., Saadatmand, S.N., Berry, D.W. et al. The Heisenberg limit for laser coherence. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01049-3

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