物理学家推翻了60年来人们对激光极限的理解

上世纪50年代，当物理学家们竞相发明第一台激光器时，他们发现量子力学规则限制了光的颜色纯度。从那时起，物理学家和工程师就一直在制造激光器时考虑到这些限制。但是来自两个独立的物理学家小组的新理论研究表明，大自然比以前想象的更松懈。这些发现可能会导致改进的单色激光器用于量子计算等应用，研究人员在两个拟议的激光器设计中进行了说明。

澳大利亚格里菲斯大学的物理学家霍华德·怀斯曼（HowardWiseman）说，这项研究“推翻了60年来人们对激光极限的理解” ，他的研究小组去年10月在《自然物理学》上发表了他们的研究成果。
从本质上讲，激光是一种光的扩音器。这个词本身，最初是一个缩写词，反映了这一功能：“通过受激辐射的光放大。 ”发送正确频率的光子，然后激光器复制它，使原始信号倍增。

这些光子克隆体彼此同步地离开激光器，按照专家的说法“同相”运行。你可以这样想：每一个光子都是一个波，它的波峰和波谷与它的相邻光子排成一行，在激光中步调一致地前进。这与大多数其他光源形成对比，比如你的阅读灯，甚至太阳，它们都发射随机分散的光子。
光子保持同步的时间越长，光的单色性就越强。光源的颜色与其光子的波长相对应，例如，绿光的范围大约为500到550纳米。要使多个光子长时间保持同步，它们的波长必须非常精确地排列，这意味着光子必须尽可能接近一种颜色。

这种激光光子的同步性，即所谓的时间相干性，是这种装置最有用的特性之一。许多技术都利用了激光惊人的快速和稳定的节奏，它的波形在可见光激光器中以每秒数百万亿次的速度重复。例如，这种特性支持世界上最精确的计时设备，即光晶格钟。
但是光子在离开激光器后会逐渐失去同步；它们在一起的时间被称为激光器的相干时间。 1958年，物理学家阿瑟·肖洛和查尔斯·汤斯估算了完美激光的相干时间。（这是物理学家的一个常见设计策略：在构建一个更缺乏真实世界设备之前，先考虑最理想的版本。）他们发现了一个被认为代表激光最终相干时限的方程，由物理定律设定。物理学家称之为Schawlow-Townes极限。

这两篇新论文发现Schawlow-Townes极限并不是终极极限。匹兹堡大学的物理学家戴维·派克（DavidPekker）领导了另一个小组，他说：“原则上，应该可以制造出更加相干的激光器。 ”他们的论文目前正在接受同行评审，作为预印本发布在arXiv上。
两个小组都认为， Schawlow-Townes极限是建立在对激光的假设上的，而这些假设已经不成立了。 Schawlow-Townes基本上将激光看作是一个中空的盒子，在这个盒子里，光子以与盒子里的光量成比例的速率倍增和离开。换句话说，光子从Schawlow-Townes的激光中流出，就像水从桶中的孔中流出一样。桶里的水越满，水流越快，反之亦然。

但是怀斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）都发现，如果你在激光器上设置一个阀门来控制光子流的速率，你实际上可以使激光器的相干时间比Schawlow-Townes极限长得多。怀斯曼的论文更进一步。考虑到这些光子控制阀，他的团队重新估计了完美激光器的相干时间限制。怀斯曼说：“我们证明了我们的极限是最终的量子极限，这意味着真正的物理极限是由量子力学决定的。