研究人员设计了一条通向“量子光”的新途径

研究人员提出了一种产生高能“量子光”的新机制，可用于研究原子尺度上的物质新特性。

来自剑桥大学的研究人员以及来自美国，以色列和奥地利的同事开发了一种描述新光状态的理论，该光状态在广泛的频率范围内具有可控的量子特性，高达X射线频率。他们的结果发表在《自然物理学》杂志上。

我们观察周围的世界可以用经典物理学的定律来描述，但是一旦我们在原子尺度上观察事物，量子物理学的奇怪世界就会接管。想象一个篮球：用肉眼观察它，篮球的行为符合经典物理定律。但是组成篮球的原子却按照量子物理学行事。

“光也不例外：从阳光到无线电波，它大部分可以用经典物理学来描述，”主要作者Andrea Pizzi博士说，他在剑桥卡文迪什实验室进行了这项研究。“但在微米和纳米尺度上，所谓的量子涨落开始发挥作用，经典物理学无法解释它们。

目前在哈佛大学的Pizzi与以色列理工学院的Ido Kaminer小组以及麻省理工学院和维也纳大学的同事合作，开发了一种理论，预测了一种控制光量子性质的新方法。

“量子涨落使量子光更难研究，但也更有趣：如果设计正确，量子涨落可以成为一种资源，”Pizzi说。控制量子光的状态可以使显微镜和量子计算中的新技术成为可能。

产生光的主要技术之一使用强激光。当足够强的激光指向一组发射器时，它可以从发射器上撕下一些电子并激励它们。最终，其中一些电子与它们被提取的发射器重新结合，它们吸收的多余能量以光的形式释放出来。这个过程将低频输入光转化为高频输出辐射。

“假设所有这些发射器彼此独立，导致输出光中量子涨落非常无特征，”Pizzi说。“我们想研究一个发射器不是独立的，而是相关的系统：一个粒子的状态告诉你另一个粒子的状态。在这种情况下，输出光开始表现得非常不同，它的量子涨落变得高度结构化，并且可能更有用。

为了解决这种类型的问题，被称为多体问题，研究人员使用了理论分析和计算机模拟的组合，其中一组相关发射器的输出光可以用量子物理学来描述。

该理论由以色列理工学院的Pizzi和Alexey Gorlach领导，表明可控量子光可以由具有强激光的相关发射器产生。该方法产生高能输出光，可用于设计X射线的量子光学结构。

“我们花了几个月的时间让方程越来越清晰，直到我们只需要一个紧凑的方程就可以描述输出光和输入相关性之间的联系。作为一名物理学家，我觉得这很美，“Pizzi说。

“展望未来，我们希望与实验学家合作，验证我们的预测。在理论方面，我们的工作建议多体系统作为产生量子光的资源，我们希望更广泛地研究这一概念，超越这项工作中考虑的设置。

更多信息：尼古拉斯·里维拉，强驱动多体系统的光发射，自然物理学（2023 年）。DOI：10.1038/s41567-022-01910-7。www.nature.com/articles/s41567-022-01910-7

期刊信息：《自然物理学》