物理學家正在「重新」發明激光
上世紀50年代，當物理學家們競相發明第一台激光器時，他們發現量子力學的規則限制了光的顏色的純度。從那時起，物理學家和工程師們在製造激光器時就一直在考慮這些限制條件。但是，來自兩個獨立的物理學家小組的新理論研究表明，自然界比之前認為的更加鬆散。這一發現可能導致改進的、更單色的激光器用於量子計算等應用，研究人員在兩個擬議的激光器設計中進行了說明。
澳大利亞格里菲斯大學（Griffith University）的物理學家霍華德·懷斯曼（Howard Wiseman）說，這項工作「顛覆了人們60年來對激光極限的理解」，他的團隊去年10月在「自然物理學」上發表了他們的研究成果。
上圖：世界上第一台紅寶石激光器
從本質上講，激光是一種光的擴音器。這個詞本身，最初是一個縮寫詞，反映了這一功能：「通過激發輻射來進行光放大」。 發送正確頻率的光子，然後激光器複製它，使原始信號倍增。
這些光子克隆體彼此同步地離開激光器，按照專家的說法「同相」運行。你可以這樣想：每一個光子都是一個波，它的波峰和波谷與它的相鄰光子排成一行，在激光中步調一致地前進。這與大多數其他光源形成了對比，比如，你的閱讀燈，甚至太陽，它們都是發射隨機分散的光子。
光子同步的時間越長，光的單色性就越強。光源的顏色與光子的波長相對應，例如，綠光的波長大約在500到550納米之間。為了讓多個光子長時間保持同步，它們的波長必須非常精確地排列 —— 這意味著光子必須儘可能接近一種顏色。
這種激光光子的同步性，即所謂的時間相干性，是這種裝置最有用的特性之一。許多技術都利用了激光驚人的快速和穩定的節奏，它的波形在可見光激光器中以每秒數百萬億次的速度重複。例如，這種特性支撐著世界上最精確的計時設備，即光學晶格鍾。
上圖：世界上最精準的鐘，鍶原子光晶格鍾
但是，光子在離開激光器後會逐漸失去同步；它們在一起的時間被稱為激光器的相干時間。1958年，物理學家阿瑟·肖洛和查爾斯·湯斯估算了完美激光器的相干時間。（這是物理學家的一個常見設計策略：在構建一個真實世界缺乏的設備之前，先考慮最理想的版本。）他們發現了一個被認為可以代表激光最終相干時限的方程，由物理定律設定。物理學家稱之為「Schawlow-Townes（肖洛-湯斯）」極限。
然而，新的研究發現「Schawlow-Townes」極限並不是最終極限。匹茲堡大學的物理學家大衛·佩克（David Pekker）領導了另一個小組，他說：「原則上，應該可以製造出明顯更相干的激光器。」他們的論文目前正在同行評議中，已作為預印本發布在arXiv上。
兩組人都認為「Schawlow-Townes」極限建立在關於激光的假設之上，而這些假設已經不再正確。肖洛和湯斯基本上認為激光器是一個空心盒子，光子在盒子里繁殖和離開的速度與盒子內的光量成正比。換句話說，光子從肖洛-湯斯的激光器中流出，就像水從桶上的洞中排出一樣。桶裝得越滿，水就流得越快，反之亦然。
但是，懷斯曼和佩克都發現，如果你在激光器上放置一個閥門來控制光子流動的速率，你實際上可以使激光器的相干時間比「Schawlow-Townes」限制長得多。懷斯曼的論文更進一步。考慮到這些光子控制閥，他的團隊重新估計了完美激光器的相干時間限制。「我們證明了我們的極限是最終的量子極限。」懷斯曼說，他的意思是由量子力學決定的真正物理極限。
懷斯曼表示，肖洛和湯斯的估計雖然不是物理學家最初認為的對激光的基本限制，但在當時是合理的。 那時，沒有人能夠像懷斯曼和佩克所提出的那樣，精確地控制激光束中的光流。 但是，今天的激光是另外一回事了。 現在，物理學家可以使用為新興的量子計算行業開發的多種設備來控制光。
上圖：英國科學家研製出的首台室溫微波激射器
佩克與同樣來自匹茲堡大學的物理學家邁克爾·哈特里奇（Michael Htridge）合作，將新的激光設計帶入生活。哈特里奇的專長是用超導導線構建電路，來存儲和控制微波頻率的光子。他們計劃建造一種微波發射激光器（稱為微波激射器），用於在由超導電路組成的量子計算機中編寫量子位。儘管建造這個新的微波激射器可能需要數年的工作和故障排除，但哈特里奇表示，他們擁有使之成為可能的所有工具和知識。哈特里奇說：「這就是為什麼我們對此感到興奮，因為這只是另一個工程項目。」
懷斯曼正在尋找合作者來建立他的設計，也是一個微波激射器。他表示：「我真的、真的希望這件事能發生，但我也認識到這將是一個長期目標。」
新加坡國立大學的物理學家史蒂芬·圖扎德（Steven Touzard）認為，這些設計「完全可行」。他並沒有參與這些新研究。 但是，圖扎德說，懷斯曼和佩克的工作可能不會直接產生有用的商業激光器。 他指出，激光製造商通常不會使用「Schawlow-Townes」限制來指導其設計。因此，推翻極限可能是理論上的進步，而不是工程上的進步。
奇怪的是，這兩種新設計也與關於激光的另一種傳統觀念相矛盾。 這些設備不會通過所謂的受激發射來產生光，受激發射在首字母縮寫詞激光器中構成了「s」和「e」。 受激發射是光與物質之間的一種相互作用，其中光子撞擊原子並「刺激」原子以發射相同的光子。 如果我們像以前那樣將激光器想像成盒子里的光，那麼使用受激發射來放大光的激光器，會將信號與盒中已經存在的光量成比例地相乘。 根據圖扎德的說法，2012年發明的另一種激光器稱為「超輻射激光器」，它也不使用受激發射來放大光。
上圖：超輻射激光光譜
事實上，激光的概念已經超越了它的名字。它不再僅僅是「通過受激輻射的光放大」。
隨著冷戰的目標轉變為21世紀的目標，激光也有了發展。它們已經存在了很長時間，幾乎融入了現代生活的方方面面：它們可以矯正人類的視力、讀取食品雜貨條形碼、蝕刻電腦晶元、傳輸月球上的視頻文件、幫助駕駛自動駕駛汽車，還能讓人產生迷幻般的狂躁情緒。現在，激光又可以被重新發明了。一台有60年歷史的設備仍然是科幻未來的象徵。
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