在上世紀(jì)60年代，物理學(xué)家成功創(chuàng)造出了一種自然界沒有的神奇光源，那便是激光。可以說(shuō)，這一發(fā)明徹底改變了歷史的進(jìn)程。在20世紀(jì)后半葉，激光成為了研究自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域中的問題的重要工具。現(xiàn)如今，每一年激光的市場(chǎng)規(guī)模已超過了百億美元。

激光和傳統(tǒng)光源的一個(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)的組件時(shí)，就需要一個(gè)特定頻率的高度相干光束來(lái)長(zhǎng)時(shí)間地控制大量的量子比特，而未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可能還需要相干性更強(qiáng)的光源。

當(dāng)物理學(xué)家在對(duì)激光的相關(guān)性進(jìn)行量化時(shí)，需要同時(shí)考慮光的粒子性質(zhì)和波性質(zhì)。對(duì)于一個(gè)理想的激光器來(lái)說(shuō)，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(gè)數(shù)字可以比激光本身的光子數(shù)量要大得多。一直以來(lái)，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。

激光束中含有大量以相同相位運(yùn)動(dòng)的光子。| 圖片來(lái)源：Peng Jiajie / Wikimedia Commons

這條“鐵律”可以追溯到上世紀(jì)中。1958年，物理學(xué)家阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查爾斯·湯斯（Charles Townes）提出了激光理論，二人還因其在激光研究方面做出的貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們斷言了標(biāo)準(zhǔn)激光器的相干性遵循這個(gè)規(guī)律。

然而最近，兩項(xiàng)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(duì)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(shí)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)。在過去十年左右的時(shí)間里，量子技術(shù)取得了驚人的進(jìn)步，因此，我們可能不再需要受到這類假設(shè)的限制。

在兩項(xiàng)突破了肖洛-湯斯極限的研究中，其中一篇論文被發(fā)表在近期的《自然-物理》雜志上。在這項(xiàng)研究中，格里菲斯大學(xué)的物理學(xué)家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(shí)，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(jì)算機(jī)中使用的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第二項(xiàng)研究是由匹茲堡大學(xué)的物理學(xué)家完成的，他們的研究結(jié)果目前被發(fā)表在了預(yù)印網(wǎng)站arXiv上，正在等待同行評(píng)審。在這項(xiàng)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(zhǎng)的模型。現(xiàn)在，他們正在研究如何用超導(dǎo)裝置來(lái)制造出這樣的激光器。

值得說(shuō)明的是，在這兩種情況下的激光器所產(chǎn)生的都不是可見光激光，而是微波激光。但是，這正是超導(dǎo)量子計(jì)算所需的那種光源。

在激光的相干性與激光中光子數(shù)的關(guān)系中，肖洛和湯斯的極限是相干性正比于激光中光子數(shù)量的平方；匹茲堡大學(xué)的研究結(jié)果認(rèn)為相干性正比于激光中光子數(shù)量的立方；而在格里菲斯大學(xué)的模型中，相干性正比于激光中光子數(shù)量的四次方。那么，還會(huì)出現(xiàn)相關(guān)性更高的模型嗎？

物理學(xué)家認(rèn)為，這種情況應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)。這也是格里菲斯的物理學(xué)家在發(fā)表于《自然-物理》雜志上的那篇論文中所證明的一個(gè)重要結(jié)果。作者在論文中表示，肖洛-湯斯的極限是一個(gè)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(gè)終極量子極限，或者說(shuō)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。

物理學(xué)家表示，這種理論上的“海森堡極限”激光器，在實(shí)際操作中是有可能實(shí)現(xiàn)的。而這種最好結(jié)果所能帶來(lái)的，也將不僅僅是激光器在設(shè)計(jì)和性能上的一場(chǎng)革命，它還將能帶來(lái)對(duì)于“激光是什么”這一根本性問題的重新思考。

新論文的通訊作者Howard Wiseman評(píng)論說(shuō)，往往是在革命開始之時(shí)，沒有人知它最終能否成功；但如果這兩篇論文中的模型能夠成為現(xiàn)實(shí)，那么這兩篇論文將可能為開啟某些新的應(yīng)用打響第一槍。

責(zé)任編輯：lq