上世紀50年代，當物理學家們競相發(fā)明第一臺激光器時，他們發(fā)現(xiàn)量子力學規(guī)則限制了光的顏色純度。從那時起，物理學家和工程師就一直在制造激光器時考慮到這些限制。但是來自兩個獨立的物理學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)可能會導致改進的單色激光器用于量子計算等應用，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的物理學家霍華德·懷斯曼（Howard Wiseman）說，這項研究“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》上發(fā)表了他們的研究成果。
從本質(zhì)上講，激光是一種光的擴音器。這個詞本身，最初是一個縮寫詞，反映了這一功能：“通過受激輻射的光放大?！卑l(fā)送正確頻率的光子，然后激光器復制它，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(diào)一致地前進。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)射隨機分散的光子。
光子保持同步的時間越長，光的單色性就越強。光源的顏色與其光子的波長相對應，例如，綠光的范圍大約為500到550納米。要使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，這意味著光子必須盡可能接近一種顏色。
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(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。例如，這種特性支持世界上最精確的計時設備，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的相干時間。（這是物理學家的一個常見設計策略：在構(gòu)建一個更缺乏真實世界設備之前，先考慮最理想的版本。）他們發(fā)現(xiàn)了一個被認為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。匹茲堡大學的物理學家戴維·派克（DavidPekker）領(lǐng)導了另一個小組，他說：“原則上，應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，作為預印本發(fā)布在arXiv上。
兩個小組都認為，Schawlow-Townes極限是建立在對激光的假設上的，而這些假設已經(jīng)不成立了。Schawlow-Townes基本上將激光看作是一個中空的盒子，在這個盒子里，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置一個閥門來控制光子流的速率，你實際上可以使激光器的相干時間比Schawlow-Townes極限長得多。懷斯曼的論文更進一步?？紤]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。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決定的。
懷斯曼說，Schawlow和派克（Pekker）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。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，物理學家現(xiàn)在可以用為新興的量子計算產(chǎn)業(yè)開發(fā)的多種設備來控制光。
派克（Pekker）與同樣來自匹茲堡大學的物理學家邁克爾·哈特里奇（MichaelHatridge）合作，將新的激光設計付諸實踐。哈特里奇的專長包括用超導導線構(gòu)建電路，用于儲存和控制微波頻率光子。他們計劃制造一種微波發(fā)射激光器，稱為微波激射器，用于在超導電路制成的量子計算機中編程量子比特。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，因為它只是另一個工程項目，”哈特里奇說。
懷斯曼正在尋找合作者來構(gòu)建他的設計，也是一個微波激射器。他說：“我真的非常希望這樣，但我認識到這是一個長期目標?！?/p>
新加坡國立大學的物理學家史蒂文·圖扎德（steventouzard）說，這些設計“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極限來指導他們的設計。因此，推翻這一限制可能更像是理論上的進步，而不是工程上的進步，他說。
奇怪的是，這兩種新設計還與另一種關(guān)于激光的傳統(tǒng)觀點相矛盾。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光盒，像以前一樣，一個用受激發(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)過時了。它不再僅僅是“受激輻射的光放大”。
當然，英語中也有許多這樣的例子。根據(jù)俄亥俄州立大學的語言學家米恰·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?，即使沒有真正的帆參與其中?！卑査辜{在一封電子郵件中說，“即使你的手機沒有撥號，你仍然可以撥別人的號碼?！?/p>
俄亥俄州立大學的語言學家布萊恩·約瑟夫在一封電子郵件中說：“盡管一個詞的詞源和起源確實為它提供了一個起點，但它并不能永遠決定它的命運。”
隨著冷戰(zhàn)目標過渡到21世紀的目標，激光也隨之發(fā)展。它們已經(jīng)存在了很長時間，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，蝕刻計算機芯片，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年歷史的設備仍然是科幻未來的象征。
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