十年量子光学难题——超辐射过程实现成功预测

       相互作用的原子往往作为整个系统进行分析，而不是孤立的单一个体。若用激光照射它们，这种整体运动会对光源发展非常有用，加以正确的理解和控制，物理学家可以开发传感器，改善超精确测量以及深入了解量子计算机的耗散。

图1 超辐射艺术效果图（图片来源：Gerd Altmann/Pixabay）

       然而，一组原子的整体运动时间是什么时候开始呢？近日，哥伦比亚大学物理学家Ana Asenjo-Garcia和博士后Stuart Masson证明超辐射现象可以映射原子的集体行为，从而解决了量子光学领域中十年未解的难题，研究成果发表在期刊《Nature Communications》上。

       激光照射原子后，振动的原子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态，但处于激发态的原子是不稳定的，最终会衰变到基态并释放能量，能量以光子的形式向外辐射。早在20世纪50年代，物理学家Robert Dicke指出，单个受激原子辐射的光脉冲强度迅速下降，原子发射光子的时间是随机的。超辐射过程是一种非线性光学过程，多个原子与共同的辐射场相互作用，构成一个合作的整体，辐射相干叠加后，光强与原子个数的平方成正比。因为跃迁的原子在短时间内发射出大部分光子，所以这种超辐射的初始强度非常大。

       然而，在Dicke的理论中，每个原子都是孤立的点，这个假设前提与实际不符。

       几十年来，研究人员的集中争论点在于若原子排列方式不同，比如线或简单网格，超辐射是否会发生，或者原子间距是否会立即消除超辐射现象。Masson和Asenjo-Garcia的理论计算表明，原子的相互作用是一直存在的。Masson说：“只要原子间距足够小，超辐射现象就会发生，这与原子的排列方式和个数无关。”

       该团队的方法解决了量子物理学中的研究难题：越大的研究系统，计算过程会越复杂。他们证明，任何系统的超辐射强度最终都可以归结为两个光子的相互作用。如果第一个光子从原子团中发射出来并不与第二个光子相互作用，超辐射就不会发生。相互作用的前提是原子间距，原子排列方式间接影响原子间距。例如，40×40的原子排列意味着若原子间距在0.8倍波长以内，超辐射过程就会发生。

       根据Masson的理论，该间距要求可以在前沿实验室中实现。尽管实际可能存在大于16个维度的原子阵列（即使对于哥伦比亚的超级计算机，该计算也过于复杂），无法定量预测超辐射的强度和持续时间，但是Masson和Asenjo-Garcia开发的简单理论框架可以回答实验阵列是否会发生超辐射，即原子是否会集体运动。

       在一些应用中，比如超辐射激光器，研究人员期望加入同步原子，这样超辐射激光器对热扰动的反应远不如传统激光器敏感。对于其它应用，比如缩小量子计算的原子阵列，正确解释集体行为可以避免潜在错误。“你无法避免原子的本征运动，这可能发生在更大距离的原子阵列上。”Masson说。