美澳研究人员突破激光相干性上限，达光子数量的四次方

1958年，物理学家阿瑟·肖洛和查尔斯·汤斯提出了激光理论，他们因其在激光研究方面做出的贡献而获得诺贝尔物理学奖。上世纪60年代，物理学家成功创造出了激光。20世纪后半叶，激光成为自然科学、医学和工程技术领域研究的重要工具。现如今，每一年全球激光市场的规模已超过了百亿美元。

激光和传统光源的一个重要区别就在于光束的“相干性”。相干性决定了激光束在执行各种精密任务时的能力，高度的相干性使激光适合应用在高精度器件上，比如在控制量子计算机的组件时，就需要一个特定频率的高度相干光束来长时间地控制大量的量子比特，而未来的量子计算机可能还需要相干性更强的光源。

■超导器件可以释放激光使其在极限量子极限 

当物理学家在对激光的相关性进行量化时，需要同时考虑光的粒子性质和波性质。对于一个理想的激光器来说，激光的相干性可被粗略地认为是以相同的相位被连续发射到一束光束中的光子的数量，这个数字可以比激光本身的光子数量要大得多。一直以来，物理学家一直相信，激光相干性的上限，受限于激光中的光子数量的平方。

然而最近两项新的研究表明，激光的相干性可能比肖洛和汤斯所认为的要高得多。在肖洛和汤斯的年代，他们对能量是如何增加到激光（增益）以及能量是如何释放而形成光束（损耗）做出了假设。这些假设在当时是合理的，并且仍然适用于现在的激光器。但是，量子力学并不需要这样假设。

在两项突破了肖洛-汤斯极限的研究中，其中一篇论文发表在近期的《自然：物理》（Nature子刊）杂志上。来自澳大利亚格里菲斯大学和麦考瑞大学的研究人员，发表了一篇名为The Heisenberg limit for laser coherence的论文，表明新的量子技术是如何为实现比传统大得多 的相干性打开了大门。

■研究者提出的激光模型的概念图

研究人员提出了一种新的模型，他们假设一束由激光器所产生的光束，拥有与理想激光器产生的光束相近的性质，并且它们不受外部其他的相干性干扰。基于这一模型，他们推导出相干性的上限正比于激光中光子数量的四次方，这比肖洛和汤斯所认为的平方要大得多。与此同时，研究人员还发现，这种激光器在理论上可以利用超导量子位技术和目前最成功的量子计算机中使用的电路来实现。

第二项研究是由美国匹兹堡大学的物理学家所完成，他们的研究结果目前发表在预印网站arXiv上，正在等待同行评审。在这项研究中，他们使用了一种略微不同的方法，最终得到了相干性以激光中的光子数量的三次方模式增长的模型。现在，他们正在研究如何用超导装置来制造出这样的激光器。

■激光束中含有大量以相同相位运动的光子（图片来源：Peng Jiajie,Wikimedia Commons）

格里菲斯的研究人员在在论文中表示，肖洛-汤斯的极限是一个标准量子极限，而与光子数的四次方成正比的相干性，则是一个终极量子极限，或者说是海森堡极限（超越标准方法所能达到的极限，与海森堡的不确定性原理有关），这是量子力学所能允许的最好结果。

研究人员表示，这种理论上的“海森堡极限”激光器，在实际操作中是有可能实现的。而这种最好结果所能带来的，也将不仅仅是激光器在设计和性能上的一场革命，它还将能带来对于“激光是什么”这一根本性问题的重新思考。