上世紀(jì)50年代，當(dāng)物理學(xué)家們競相發(fā)明第一臺激光器時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)規(guī)則限制了光的顏色純度。從那時(shí)起，物理學(xué)家和工程師就一直在制造激光器時(shí)考慮到這些限制。但是來自兩個(gè)獨(dú)立的物理學(xué)家小組的新理論研究表明，大自然比以前想象的更松懈。這些發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致改進(jìn)的單色激光器用于量子計(jì)算等應(yīng)用，研究人員在兩個(gè)擬議的激光器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了說明。

澳大利亞格里菲斯大學(xué)的物理學(xué)家霍華德·懷斯曼（Howard Wiseman）說，這項(xiàng)研究“推翻了60年來人們對激光極限的理解”，他的研究小組去年10月在《自然物理學(xué)》上發(fā)表了他們的研究成果。

從本質(zhì)上講，激光是一種光的擴(kuò)音器。這個(gè)詞本身，最初是一個(gè)縮寫詞，反映了這一功能：“通過受激輻射的光放大。”發(fā)送正確頻率的光子，然后激光器復(fù)制它，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(yùn)行。你可以這樣想：每一個(gè)光子都是一個(gè)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(diào)一致地前進(jìn)。這與大多數(shù)其他光源形成對比，比如你的閱讀燈，甚至太陽，它們都發(fā)射隨機(jī)分散的光子。

光子保持同步的時(shí)間越長，光的單色性就越強(qiáng)。光源的顏色與其光子的波長相對應(yīng)，例如，綠光的范圍大約為500到550納米。要使多個(gè)光子長時(shí)間保持同步，它們的波長必須非常精確地排列，這意味著光子必須盡可能接近一種顏色。

這種激光光子的同步性，即所謂的時(shí)間相干性，是這種裝置最有用的特性之一。許多技術(shù)都利用了激光驚人的快速和穩(wěn)定的節(jié)奏，它的波形在可見光激光器中以每秒數(shù)百萬億次的速度重復(fù)。例如，這種特性支持世界上最精確的計(jì)時(shí)設(shè)備，即光晶格鐘。

但是光子在離開激光器后會逐漸失去同步；它們在一起的時(shí)間被稱為激光器的相干時(shí)間。1958年，物理學(xué)家阿瑟·肖洛和查爾斯·湯斯估算了完美激光的相干時(shí)間。（這是物理學(xué)家的一個(gè)常見設(shè)計(jì)策略：在構(gòu)建一個(gè)更缺乏真實(shí)世界設(shè)備之前，先考慮最理想的版本。）他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被認(rèn)為代表激光最終相干時(shí)限的方程，由物理定律設(shè)定。物理學(xué)家稱之為Schawlow-Townes極限。

這兩篇新論文發(fā)現(xiàn)Schawlow-Townes極限并不是終極極限。匹茲堡大學(xué)的物理學(xué)家戴維·派克（DavidPekker）領(lǐng)導(dǎo)了另一個(gè)小組，他說：“原則上，應(yīng)該可以制造出更加相干的激光器?！彼麄兊恼撐哪壳罢诮邮芡性u審，作為預(yù)印本發(fā)布在arXiv上。

兩個(gè)小組都認(rèn)為，Schawlow-Townes極限是建立在對激光的假設(shè)上的，而這些假設(shè)已經(jīng)不成立了。Schawlow-Townes基本上將激光看作是一個(gè)中空的盒子，在這個(gè)盒子里，光子以與盒子里的光量成比例的速率倍增和離開。換句話說，光子從Schawlow-Townes的激光中流出，就像水從桶中的孔中流出一樣。桶里的水越滿，水流越快，反之亦然。

但是懷斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）都發(fā)現(xiàn)，如果你在激光器上設(shè)置一個(gè)閥門來控制光子流的速率，你實(shí)際上可以使激光器的相干時(shí)間比Schawlow-Townes極限長得多。懷斯曼的論文更進(jìn)一步?？紤]到這些光子控制閥，他的團(tuán)隊(duì)重新估計(jì)了完美激光器的相干時(shí)間限制。懷斯曼說：“我們證明了我們的極限是最終的量子極限，這意味著真正的物理極限是由量子力學(xué)決定的。

懷斯曼說，Schawlow和派克（Pekker）的估計(jì)雖然不是物理學(xué)家最初認(rèn)為的對激光的基本限制，但在當(dāng)時(shí)是合理的。沒有人能像懷斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）提出的那樣精確地控制激光的光流。但今天的激光是另一回事，物理學(xué)家現(xiàn)在可以用為新興的量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)開發(fā)的多種設(shè)備來控制光。

派克（Pekker）與同樣來自匹茲堡大學(xué)的物理學(xué)家邁克爾·哈特里奇（MichaelHatridge）合作，將新的激光設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐。哈特里奇的專長包括用超導(dǎo)導(dǎo)線構(gòu)建電路，用于儲存和控制微波頻率光子。他們計(jì)劃制造一種微波發(fā)射激光器，稱為微波激射器，用于在超導(dǎo)電路制成的量子計(jì)算機(jī)中編程量子比特。雖然建造這種新的微波激射器需要多年的工作和故障排除，但哈特里奇說他們擁有使之成為可能的所有工具和知識?！斑@就是為什么我們對它感到興奮，因?yàn)樗皇橇硪粋€(gè)工程項(xiàng)目，”哈特里奇說。

懷斯曼正在尋找合作者來構(gòu)建他的設(shè)計(jì)，也是一個(gè)微波激射器。他說：“我真的非常希望這樣，但我認(rèn)識到這是一個(gè)長期目標(biāo)?！?/p>

新加坡國立大學(xué)的物理學(xué)家史蒂文·圖扎德（steventouzard）說，這些設(shè)計(jì)“完全可行”，他沒有參與任何一篇新論文。然而，據(jù)圖扎德說，懷斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）的工作可能不會直接產(chǎn)生有用的商業(yè)激光器。他指出，激光器的制造商通常不使用Schawlow-Townes極限來指導(dǎo)他們的設(shè)計(jì)。因此，推翻這一限制可能更像是理論上的進(jìn)步，而不是工程上的進(jìn)步，他說。

奇怪的是，這兩種新設(shè)計(jì)還與另一種關(guān)于激光的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相矛盾。這些裝置不會通過所謂的受激發(fā)射產(chǎn)生光，而受激發(fā)射又構(gòu)成了激光的首字母縮寫“s”和“e”。受激發(fā)射是光與物質(zhì)之間的一種相互作用，其中光子撞擊原子并“刺激”原子發(fā)射相同的光子。如果我們把激光想象成一個(gè)光盒，像以前一樣，一個(gè)用受激發(fā)射放大光的激光，將信號與光盒中已有的光量成比例地相乘。據(jù)圖扎德介紹，2012年發(fā)明的另一種激光器被稱為超輻射激光器，也不使用受激發(fā)射來放大光線。

激光的概念已經(jīng)過時(shí)了。它不再僅僅是“受激輻射的光放大”。

當(dāng)然，英語中也有許多這樣的例子。根據(jù)俄亥俄州立大學(xué)的語言學(xué)家米恰·埃爾斯納（MichaElsner）的說法，這種意義上的變化被稱為語義轉(zhuǎn)移，在“涉及新技術(shù)的任何地方”都很常見?！按蝗匀辉诖笱蟊税逗叫校词箾]有真正的帆參與其中。”埃爾斯納在一封電子郵件中說，“即使你的手機(jī)沒有撥號，你仍然可以撥別人的號碼。”

俄亥俄州立大學(xué)的語言學(xué)家布萊恩·約瑟夫在一封電子郵件中說：“盡管一個(gè)詞的詞源和起源確實(shí)為它提供了一個(gè)起點(diǎn)，但它并不能永遠(yuǎn)決定它的命運(yùn)?！?/p>

隨著冷戰(zhàn)目標(biāo)過渡到21世紀(jì)的目標(biāo)，激光也隨之發(fā)展。它們已經(jīng)存在了很長時(shí)間，可以融入現(xiàn)代生活的幾乎所有方面：它們可以糾正人類的視力，讀取雜貨店的條形碼，蝕刻計(jì)算機(jī)芯片，傳輸來自月球的視頻文件，幫助駕駛自動駕駛汽車，并使人的心情變得迷幻?，F(xiàn)在，激光又可以重新發(fā)明了。擁有60年歷史的設(shè)備仍然是科幻未來的象征。