重新发明激光：全新理论挑战60年来的普遍认识

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来源：Medium

编译：Sail2008

责任编辑：Sunni

根据一项发表在《自然物理》杂志上的研究，两组独立物理学家团队的研究成果挑战了60年来对激光的普遍共识。

自从20世纪50年代第一台激光器发明以来，物理学家们就一直按照量子力学对激光颜色的纯度限制来制造激光器。激光（LASER）是“受激辐射光放大”的缩写，其工作原理是当相同频率的光子入射进来以激发原子时，生成原始信号的副本。

在新的理论研究中，两组物理学家提出一种解决方案来绕过这一存在已久的限制。

激光在我们的日常生活中已有了一些实际应用，如矫正视力、读取食品杂货店条形码、蚀刻电脑芯片、从月球传输视频文件、帮助操纵自动驾驶汽车等。最近的发现可能会将单色激光加入这一行列中，并最终将其用于量子计算等应用。

不同于台灯等随机发射和散射光子的传统光源，激光中光子的传播彼此同步，以相同的相位射出激光——科学家将这种对齐方式称为“同相”（in phase）。简单地说，每个光子就像一个波，其波峰和波谷都与邻近的波对齐。

要实现单色激光，光子需要更长的同步时间，这意味着它们的波长必须精确对齐。波长决定了光源的颜色，例如绿光的波长在500到550纳米之间。

前面提到的激光光子的同步被称为时间相干性（temporal coherence），这种超快而又稳定的频率将保证激光设备能用于精密仪器。

然而，传统激光器的问题是，光子在离开激光器后会逐渐失去同步，而它们保持同步的时间被称为激光器的相干时间。

根据物理定律，科学家阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查尔斯·汤斯（Charles Townes）1958年估算了一台性能极佳的激光器的相干时间。这被称为“肖洛-汤斯极限”（Schawlow-Townes limit），最终成为之后几十年研发激光器的基准。

“原则上，我们应该能制造出相干性强得多的激光器。”——首席研究员大卫·佩克（David Pekker）

由匹兹堡大学物理学家大卫·佩克领导的研究团队正在挑战这一存在已久的理论。他们认为“肖洛-汤斯极限”并非最终极限。他们的基本假设是能够开发出受“肖洛-汤斯极限”限制但相干性更强的激光器。

与之前的理论将激光器视为有光的中空盒子、光子复制和离开的速度与盒子里的光量成正比不同，最新的研究提出在激光器上安设阀门来控制激光器中的光子流速度。这些物理学家相信这将使激光的相干时间比之前预想的要长得多。

尽管该研究团队认为肖洛和汤斯对激光器的相干性估算在当时是合理的，但量子技术现在已经使物理学家能够进一步优化这一度量标准。

然而一些对这一新理论成果持批评意见的人认为，该设计方案理论上看似合理，但或许并不适用于实际商业应用。以目前的激光器制造商为例，它们大多数都不采用“肖洛-汤斯极限”来指导其设计方案。

尽管如此，佩克团队有信心将其全新的激光器设计方案带进我们的生活。他们的目标是建造一种微波激射器（又称脉泽，maser），用于在由超导电路组成的量子计算机中进行量子编程。但请记住，这一颇具野心的尝试可能需要多年的长期研究并解决许多重大难题。

同行评审指出，这一最新研究或许将重新定义激光的含义。就像2012年发明的超辐射激光器一样，该设计方案也与激光的传统定义相矛盾，它们不通过所谓的受激发射产生光，因此激光（LASER）首字母缩写中的“s”和“e”就不再合适了。

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