科学家们想要创造新的“量子光”，具有令人费解的力量

一项新的研究报告称，一种令人难以置信的新型“量子光”可能使科学家能够窥探原子内部，并在这些微小的量子尺度上控制光粒子或光子的一些奇异力量。

虽然这种形式的量子光目前还停留在理论阶段，但科学家们相信，它可能很快就会在现有设备上得到实验证明，这可能会导致显微镜和量子计算方面的新技术。这项技术还可以激发“阿托科学”等领域的发现，阿托科学研究的是发生在阿秒(十亿分之一秒的十亿分之一秒)极短时间尺度上的相互作用，并可以解决材料物理学中长期存在的谜团。

光在我们的生活中无处不在，以至于我们很容易忘记它的存在。每天，我们都沐浴在来自太阳、家居设备、城市环境和无数其他来源的光线中。在这些更大的尺度上，光子受熟悉的经典物理定律支配，但如果你缩小到原子的尺度，量子力学的规则就会接管。在这样的大小下，宇宙充满了各种各样令人迷惑的无稽之谈，比如量子纠缠，粒子即使在很远的距离也能同步。

现在，科学家们设想了一种全新的光状态，这种状态将量子自旋置于一种被称为高谐波产生的现象上，这种现象涉及将激光中的光子激发到更高的频率。

根据周四发表在《自然物理》杂志上的一项研究，虽然从经典物理学的角度对高谐波产生进行了充分的研究，但利用它的量子特性可以“为宽带频谱上的新光态工程铺平道路”，并有助于“将量子光学和原子科学结合起来的雄心勃勃的目标”。

“光的量子力学定律导致了许多经典理论无法解释的光的新行为，”该研究的合著者、哈佛大学(Harvard University)的初级研究员尼古拉斯·里韦拉(Nicholas Rivera)在给Motherboard的电子邮件中说。“我们把表现出这些特性的光称为‘光的量子态’。”

他补充说:“特别吸引人的是‘多光子量子态光’，简单地说，这种光具有独特的量子特性，也由许多光子组成，被认为可以促进超精确测量、通信系统和量子计算的发展。”

在经典的物理实验中，用极强的激光照射材料，从固体或气体等材料的原子中剥离电子，可以诱导高谐波。然后电子与原子重新结合，释放出比原始激光频率高得多的光子。例如，高谐波可以通过将红外波长的激光光子转换为光谱中能量更高的紫外线或x射线波段来产生。

里维拉解释说:“高谐波的产生是一个极端的‘上转换’过程，它将低频光子转换为高频光子。”“此外，上转换的光子可以以非常短的脉冲形式存在，持续时间大约为100阿秒。这些脉冲极短的持续时间非常吸引人，因为有希望实现在相同的超短时间尺度上发生的物理和化学过程的可视化。”

“例如，原子和分子中电子的运动发生在这些非常小的时间尺度上，”他指出。“总的来说，高谐波产生有望为研究电子、原子和分子的性质提供一扇新的窗口，在所有科学领域都有大量的应用。”

里韦拉和他的同事们几年前首次开始探索高谐波产生是否能产生多光子量子态的光，并在2020年的一项研究中概述了他们的初步发现。该项目揭示了高谐波产生的量子维度实际上尚未被探索，因此研究人员在过去的几年里在原子尺度上研究了这一现象的数学基础。

在这项新研究中，研究小组提出，如果目标材料中的原子纠缠在一起，就可以产生量子版的高谐波，这意味着它们的性质将以一种只有在非常小的尺度上才能看到的奇怪方式相互关联。

这一切意味着什么?这种新形式的量子光可能会带来复杂的新技术，用于成像材料，如生物样本，具有前所未有的清晰度，它也可能揭露关于原子尺度上实体的超高速相互作用和属性的隐藏细节。

里维拉说:“我们的设想是，由相关量子物质的多体系统产生的光的量子特性应该反映出物质成分之间的内在相关性。”“相关性研究是现代材料研究的基础，因此，通过拥有一种可以高保真提取相关性的实验技术，人们可以用它来澄清那些逃避了完全理解的材料物理(在现代材料物理学中有很多)。”

“也就是说，这里的工作只是这一愿景的开始，最终还需要一段时间，我们才能知道利用光的相关性来有效推断物质的相关性的全部潜力，”他指出。

为此，研究人员指出，现有的两个实验装置可能会产生这种新形式的量子光，并指出，他们的新理论“可以在几个不同的研究方向上采用或推广”。

里维拉说:“对我们来说，‘什么是最好的’实施方案最终仍然是一个悬而未决的问题，我们正在努力理解这个问题。”“也就是说，一个令人兴奋的领域，我们相信这些想法中的一些可以被测试，是在‘固体中的高谐波产生’领域，在这个领域中，产生高频光的目标不是气体，而是固体材料。”

“固体的组成电子之间可以有很强的量子相关性，所以探索这些相关性如何在发射的光中表现出来是很有趣的，”他总结道。“这是一个需要扩展我们的理论来精确描述固体量子光发射的问题，也是我们兴奋地想要开发的领域。”