新「壓縮光」理論，有望破解量子技術的應用難題

製造「壓縮」狀態的示意圖。超短「泵場」被送入非線性晶體中，對真空形成「壓縮」效果。泵場的不同區域在晶體內重新分布（加速或減速），E0場（真空波動幅度）強度隨之增強或減弱。

涉及宇宙本質的某些懸而未決的重大問題多與光、真空以及它們與時間的關係有關聯。此前，物理學家和哲學家們已經解決了各種各樣的複雜問題，例如真空的本質是什麼？光的傳播如何與時間的流失建立聯繫？

phys.org網站7月10日報道，德國康斯坦茨大學（University of Konstanz）的研究人員Matthias Kizmann等最近進行的研究，探索了光和真空波動的量子態，以及它們與時間的相互作用。他們在《自然?物理學》雜誌中介紹了一種新的理論框架，描述了超短時間尺度上光和真空的量子態。Kizmann等的研究重點是「壓縮光」，它本質上是由具有重新分布特徵或「壓縮」電磁波動的光脈衝形成的。Kizmann及其同事認為，光或真空的電磁場與時間之間存在著直接的依存關係。Kizmann在接受phys.org網站採訪時談道：「大約在2015年時，Alfred Leitenstorfer教授的團隊首次通過實驗證明了光的真空波動可以被直接測定。從那時起，我們就對建立一種新的理論來描述短時間內發生的真空波動產生了極大的興趣。它讓我們想到這樣一個問題，即真空波動是否可以在很短時間內被操控，從而產生壓縮光？」

Kizmann等在論文中闡述了「泵場」強度與非線性晶體中的電磁真空之間的相互作用。在這種相互作用之下，泵場在時間上重新分布了真空波動，導致其在不同的時間間隔上要麼被增強，要麼被抑制。整個過程被稱為「壓縮」。Kizmann解釋說：「通常，科學家必須通過計算整個場來描述其產生的影響，但我們發現了利用時間流的變化來描述『壓縮』的方法。壓縮態屬於非經典光態的更廣泛類別，與經典激光相比，壓縮態表現出更加引人關注的新特性。因此，非經典光態在未來量子信息或量子光譜學等領域中有可能會扮演非常重要的角色。」Kizmann及其同事收集了很多有趣的觀察結果，並建立了一個物理模型，以描述超短時間尺度上的光和真空電磁場的量子態。他們在論文中還概述了如何在真空中操控電磁場（真空漲落）。

從本質上講，光主要包含波、振蕩電場和磁場。19世紀時，人們認為黑暗中的場強為零。然而，量子理論認為，黑暗的真空空間實際上並非真正意義上的「虛空」，它還包含了一些微小的波動。這些波動會引發輕微運動，即真空波動。科學家們已經知道，真空波動會從一個變數重新分布到另一個變數（例如從電場到磁場），即真空壓縮。研究首席Guido Burkard解釋說：「我們已經研究了如何在時間上控制真空波動的情況，發現了可以將波動從一個時間節點重新分配到另一個時間節點的結論。事實證明，由光脈衝看到的時間流可以在非線性光學材料中得到修正，而這種時間流的變化與波動的變化直接相關。」Burkard等的觀測結果與相對論中的時間相對論有部分相似之處。雖然量子力學和相對論在過去的物理學研究中常常「難以調和」，但他們依然根據觀測結果將兩者進行了類比。Burkard等的發現最終有望深化科學家們對量子物理學和相對論之間關係的理解。Burkard等還認為，可能不久後研究人員就能在實驗室中驗證並觀測壓縮量子光的超短脈衝。

在今後的工作中，研究人員計划進一步分析真空中的輕微運動與量子糾纏之間的關係。Burkard說：「量子漲落的重新分布是如何與量子糾纏建立關係的？對此我們非常好奇。量子糾纏既是量子計算機的『動力』，也是安全量子通信的重要資源。因此，我們迫切希望找到測量與應用方法。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

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