1958年，物理學(xué)家阿瑟·肖洛和查爾斯·湯斯提出了激光理論，他們因其在激光研究方面做出的貢獻而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。上世紀(jì)60年代，物理學(xué)家成功創(chuàng)造出了激光。20世紀(jì)后半葉，激光成為自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域研究的重要工具。現(xiàn)如今，每一年全球激光市場的規(guī)模已超過了百億美元。
激光和傳統(tǒng)光源的一個重要區(qū)別就在于光束的“相干性”。相干性決定了激光束在執(zhí)行各種精密任務(wù)時的能力，高度的相干性使激光適合應(yīng)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。
■超導(dǎo)器件可以釋放激光使其在極限量子極限
當(dāng)物理學(xué)家在對激光的相關(guān)性進行量化時，需要同時考慮光的粒子性質(zhì)和波性質(zhì)。對于一個理想的激光器來說，激光的相干性可被粗略地認(rèn)為是以相同的相位被連續(xù)發(fā)射到一束光束中的光子的數(shù)量，這個數(shù)字可以比激光本身的光子數(shù)量要大得多。一直以來，物理學(xué)家一直相信，激光相干性的上限，受限于激光中的光子數(shù)量的平方。
然而最近兩項新的研究表明，激光的相干性可能比肖洛和湯斯所認(rèn)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激光（增益）以及能量是如何釋放而形成光束（損耗）做出了假設(shè)。這些假設(shè)在當(dāng)時是合理的，并且仍然適用于現(xiàn)在的激光器。但是，量子力學(xué)并不需要這樣假設(shè)。
在兩項突破了肖洛-湯斯極限的研究中，其中一篇論文發(fā)表在近期的《自然：物理》（Nature子刊）雜志上。來自澳大利亞格里菲斯大學(xué)和麥考瑞大學(xué)的研究人員，發(fā)表了一篇名為The Heisenberg limit for laser coherence的論文，表明新的量子技術(shù)是如何為實現(xiàn)比傳統(tǒng)大得多 的相干性打開了大門。
■研究者提出的激光模型的概念圖
研究人員提出了一種新的模型，他們假設(shè)一束由激光器所產(chǎn)生的光束，擁有與理想激光器產(chǎn)生的光束相近的性質(zhì)，并且它們不受外部其他的相干性干擾。基于這一模型，他們推導(dǎo)出相干性的上限正比于激光中光子數(shù)量的四次方，這比肖洛和湯斯所認(rèn)為的平方要大得多。與此同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種激光器在理論上可以利用超導(dǎo)量子位技術(shù)和目前最成功的量子計算機中使用的電路來實現(xiàn)。
第二項研究是由美國匹茲堡大學(xué)的物理學(xué)家所完成，他們的研究結(jié)果目前發(fā)表在預(yù)印網(wǎng)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激光中的光子數(shù)量的三次方模式增長的模型。現(xiàn)在，他們正在研究如何用超導(dǎo)裝置來制造出這樣的激光器。
■激光束中含有大量以相同相位運動的光子（圖片來源：Peng Jiajie,Wikimedia Commons）
格里菲斯的研究人員在在論文中表示，肖洛-湯斯的極限是一個標(biāo)準(zhǔn)量子極限，而與光子數(shù)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(biāo)準(zhǔn)方法所能達(dá)到的極限，與海森堡的不確定性原理有關(guān)），這是量子力學(xué)所能允許的最好結(jié)果。
研究人員表示，這種理論上的“海森堡極限”激光器，在實際操作中是有可能實現(xiàn)的。而這種最好結(jié)果所能帶來的，也將不僅僅是激光器在設(shè)計和性能上的一場革命，它還將能帶來對于“激光是什么”這一根本性問題的重新思考。
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