量子光學(xué)相干性只能通過(guò)計(jì)算顆粒和光的波動(dòng)特性來(lái)計(jì)算。對(duì)于理想的激光束，其相干性可以粗略的認(rèn)為是不斷發(fā)射的光子數(shù)進(jìn)入同相的光束中。這一數(shù)值可以比激光本身的光子數(shù)大得多。理想的激光極限被認(rèn)為是 μ exp（2）的幾次方。在這里，假設(shè)激光產(chǎn)生的光束的性質(zhì)接近激光束且沒有額外的相干源，我們可以實(shí)現(xiàn)激光極限的上限值，這一結(jié)果發(fā)表在近日出版的Nature子刊《 Nature Physics》上。

超導(dǎo) 器件可以釋放激光使其在極限量子極限 進(jìn)行運(yùn)行的藝術(shù)圖（藝術(shù)家; Ludmila Odintsova）

一個(gè)來(lái)自澳大利亞的量子理論家團(tuán)隊(duì)為大家展示了如何打破一個(gè)信仰，這個(gè)信仰是60年以來(lái)，根深蒂固的限制激光相干性的基礎(chǔ)理論。

我們的激光模型的概念圖

激光光束的相干性可以認(rèn)為是一定數(shù)量的光子（光的顆?；蚬獾牧Ｗ樱┻B續(xù)發(fā)射進(jìn)入同一相中的光束中（均一起波動(dòng)）。這一過(guò)程決定著光子如何實(shí)現(xiàn)和完成多變的精密的任務(wù)，如控制所有的量子計(jì)算機(jī)的部件。

如今，來(lái)自澳大利亞格里菲斯大學(xué)（Griffith University）和麥考瑞大學(xué)（Macquarie University）的研究人員，以論文題目為“The Heisenberg limit for laser coherence”發(fā)表在Nature子刊《 Nature Physics》上的文章，表明新的量子技術(shù)是如何為實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)大得多 的相干性打開了大門。

傳統(tǒng)的智慧可以追溯到1958年一篇著名的文章，是美國(guó)物理學(xué)家Arthur Schawlow 和d Charles Townes發(fā)表的。Howard Wiseman教授說(shuō)到，他是項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者和 Griffith’量子動(dòng)力學(xué)研究中心的主任。

以上每一位人員都在激光方面的研究工作獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)。

他們?cè)诶碚撋献C明光束的相干不能高于儲(chǔ)存在激光中光子數(shù)的平方，他說(shuō)到。

但他們假設(shè)了能量是如何施加到激光中的和解釋了它又是如何從光束中進(jìn)行釋放的。

這一假設(shè)在一定時(shí)期內(nèi)聽起來(lái)還比較有道理，并且直到今天還依然應(yīng)用在大多數(shù)的激光中，但它并不是量子力學(xué)所需要的。

在我們的論文中，我們?yōu)榇蠹艺故玖耸┘釉诹孔恿W(xué)中的真實(shí)的極限，其相干并不能高于儲(chǔ)存在激光中的光子數(shù)的四次方，來(lái)自麥考瑞大學(xué)的副教授 Dominic Berry說(shuō)到。

當(dāng)儲(chǔ)存的光子數(shù)比較巨大的時(shí)候，就是其非常典型的狀態(tài)，我們新的上限值比舊的上限值要大得多。是的，

Nariman Saadatmand博士說(shuō)到，他是教授Wiseman 研究小組的一員。

通過(guò)數(shù)值模擬，我們發(fā)現(xiàn)激光的量子力學(xué)模型可以達(dá)到相干的理論上的上限值，光束的形式明顯同傳統(tǒng)的激光不同。因此，對(duì)于這一新的超級(jí)激光我們會(huì)看到什么？

可能暫時(shí)還不會(huì)，Travis Baker先生說(shuō)到，他是格里菲斯大學(xué)從事該項(xiàng)目研究的一名博士生。

但我們的確證明了它是我們使用超導(dǎo)技術(shù)來(lái)構(gòu)筑真實(shí)的量子極限激光成為可能，這一技術(shù)同當(dāng)前最好的量子計(jì)算機(jī)所使用的技術(shù)是一樣的，并且我們提出的器件也許可以應(yīng)用在這一領(lǐng)域中。

我們的工作提出了許多有趣的問(wèn)題 ，諸如它是否可以允許更有能效的激光，教授Wiseman說(shuō)到，那將會(huì)是非常有益處的一件事情，因此，我們期望能夠自將來(lái)研究它。

文章來(lái)源：

Baker, T.J., Saadatmand, S.N., Berry, D.W. et al. The Heisenberg limit for laser coherence. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01049-3