量子世界与我们日常经典世界的区别之一是纠缠能力——当两个或多个物体共享一种无形的联系时，这种联系将它们的命运纠缠在一起。纠缠是量子联系的最极端版本，其中测量一个粒子可以告诉你关于另一个粒子你需要知道的一切。除此之外，粒子仍然可以以明显的量子方式同步，测量一个粒子会给你一些关于另一个粒子的不完整信息。这种量子关联可用于进行比经典关联更精确的测量。例如，它们可以帮助我们探测引力波。
光子通常不会以这种方式自然连接。但当它们这样做时，量子相关光子可能有助于研究材料的量子特性。然而，产生这种量子光是一件棘手的事情，到目前为止，它主要局限于几个光子。
另一方面，电子、原子和分子始终参与材料内部的大量量子关联。例如，电子在金属内部同步产生低温超导性，物理学家推测高温超导性、奇异的分数电子材料等。现在，以色列、奥地利、英国和美国的一组物理学家找到了一种方法，可以将这种材料的复杂量子关联模式印在光上。该团队最近在《自然物理学》杂志上解释说，这种方法可以在很宽的频率范围内产生明亮的量子光。
“想象一下，你可以用眼睛看到量子光，”以色列理工学院电气和计算机工程师、该研究的资深作者Ido Kaminer说。“那将是惊人的，而且它对于量子科学的应用也有许多你不会考虑的优势。”
研究人员的想法建立在现有的产生强光爆发的过程之上。这个过程被称为高次谐波产生，涉及将明亮的激光束照射到原子气体上，或者最近照射到固体晶体上，例如氧化锌，许多矿物防晒霜中的活性成分。气态原子或固体吸收激光，进而发出高次谐波的光：如果输入光就像钢琴上的中央 C，则发出的光相当于数百个八度以上的许多 C 音符。
发射结合产生光脉冲，这些光脉冲在最短的几分之一秒内通过——十亿分之一。如果针对电子、原子或分子，这些短脉冲可用于捕捉高帧率视频。
对于他们的新研究，研究人员旨在了解源材料（无论是气体还是矿物）内部的量子关联将如何影响发出的光爆发的量子特性（如果有的话）。“高次谐波的产生是一个非常重要的领域。而且，直到最近，它还被经典的光图所描述，”卡米纳说。
在量子力学中，要弄清楚多个粒子同时发生的情况是出了名的困难。Kaminer 和他实验室的研究生 Alexey Gorlach，利用他们的 COVID 强加隔离，试图在对高次谐波发射光的全量子描述方面取得进展。“这真的很疯狂；Alexey 建立了一个我们以前从未有过的规模的超级复杂的数学描述，”Kaminer 说。
接下来，为了充分结合用于产生这种光的材料的量子特性，Kaminer 和 Gorlach 与 Andrea Pizzi 合作，后者当时是剑桥大学的研究生，现在是哈佛大学的博士后研究员。
“这是一个非常漂亮的数学框架，可以用来攻击非常棘手的介观世界，”马德里自治大学的光物质相互作用专家和物理学家 Elena del Valle 说，她没有参与这项工作。“介观”是指结合了中等数量粒子的任何东西：多于几个但不多到个体行为完全无关紧要。在这里，这意味着许多光子及其量子相关性。
研究人员的结果准确地阐明了光源的量子相关性将如何转化为发射光的量子相关性。
如果这种量子光在实验中成功产生，它有两种主要的实际应用方式。首先，它可以深入了解生成它的材料。“量子特性是很多东西的核心，比如高温超导体，”卡米纳说。“这会教给你一些你在其他情况下看不到的东西。”
其次，量子光可以用作光源，尤其是在 X 射线成像的情况下。在这个领域，相关光可以获取额外的量子信息，否则这些信息是无法获取的。“一旦你进入 X 射线系统，”Kaminer 说，“然后你就可以将它用于成像材料，通过样品。”
Kaminer 说，如今用于产生高次谐波的原子和材料没有任何有趣的量子特性可言，因此不会产生量子光。为了在实验室中选择一种材料并创造这种光，科学家们打算与一个实验小组合作。他们警告说，真正的实施可能并不简单。
“从这里到实验，仍然会有一些艰苦的工作、创新的工程和理论发展，”Pizzi 说。但是研究人员有几个有前途的实验想法，Pizzi 和他的合作者以及该领域的其他人都很乐观。“在强脉冲激发下，将几个原子的所有这些放在一起，目前还不是科幻小说，”del Valle 说。如果实现，这项技术可以让科学家以前所未有的方式瞥见物质的完整量子复杂性。
