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从时间流的角度测量光和真空波动

关于宇宙本质的一些最大的未解答的问题涉及光,真空(即既不存在也不存在辐射的空间),以及它们与时间的关系。在过去,物理学家和哲学家已经解决了各种复杂的问题,例如,真空的本质是什么,以及光的传播如何与时间的流逝相关联

康斯坦茨大学的研究人员最近开展了一项研究,探讨光和真空波动的量子态,以及它们与时间的相互作用。他们在Nature Physics上发表的论文介绍了一种新的理论框架,用于描述超短时间尺度上光和真空的量子态。

研究人员的研究主要集中在“压缩光”,它主要由光脉冲和重新分布或“挤压”的电磁波动组成.Kizmann和他的同事能够揭示光或真空的电磁场之间存在直接依赖关系。时间。

“2015年左右,我们的同事Alfred Leitenstorfer教授和他的团队,也来自康斯坦茨大学,是第一个通过实验证明光的真空波动可以直接测量的人,”进行这项研究的研究人员之一Matthias Kizmann说道,告诉Phys.org。“从那以后,我们一直有兴趣开发一种新的理论来描述在很短的时间内发生的真空波动。这就引出了一个问题,即真空波动是否也能在非常短的时间内被操纵以产生所谓的挤压光。 “

在他们的论文中,研究人员描述了称为“泵浦”场的强场与非线性晶体内部的电磁真空之间的相互作用。作为这种相互作用的结果,该场重新分配真空随时间的波动,导致这些波动被增强或抑制的时间间隔。这个过程被称为挤压。

“通常,人们必须计算整个电场以描述产生的影响,但现在我们发现如何将挤压描述为时间流动的变化,”Kizmann解释说。“压缩状态属于更广泛的一类所谓的非经典光学状态。这种状态表现出各种迷人的新特征,而不是更经典的激光。因此,非经典的光状态在发展中起着重要的作用。量子信息或量子光谱领域的未来技术。“

Kizmann和他的同事收集了有趣的观察结果,描述了光和真空与时间的关系。他们开发了一种物理模型,可用于描述超短时间尺度上光和真空的电磁场的量子态。他们的论文还概述了如何操纵真空中的电磁场,即真空波动。

基本上,光由波或振荡的电场和磁场组成。在19世纪,人们相信在黑暗中,这些领域等于零。然而,量子理论指出,暗空的空间实际上并非完全是空的,因为它包含小的波动,促使场中的轻微运动,称为真空波动。已知这些波动从一个变量重新分配到另一个变量(例如从电场到磁场),这是真空的挤压。

“我们已经研究了如何及时操纵真空波动,并发现我们还可以将波动从一个时刻重新分配到另一个时刻,”该研究的首席研究员Guido Burkard告诉Phys.org。“事实证明,从光脉冲看到的时间流可以在非线性光学材料中被修改,而这种时间流动的变化与波动的变化直接相关。”

Kizmann,Burkard及其同事收集的观察结果与相对论时间的相对性有一些相似之处。在他们的论文中,他们在量子力学和相对论之间进行了类比,这是物理学中经常难以调和的两个物理领域。他们的观察和他们提出的类比最终可以增强我们目前对量子物理学和相对论之间关系的理解。研究人员还认为,在实验室中可以很快证明并观察到超短脉冲的压缩量子光。

“我们认为,微小持续时间到一飞秒(10-15秒)的量子光状态将很快实现并通过实验表征,”参与该研究的另一位研究员Andrey Moskalenko告诉Phys.org。“然后它们可以用作超快光谱学中的新量子工具,在如此短的持续时间内探测物质中的物质过程。这将使人们能够获得目前隐藏但非常重要的过多超快现象,这些现象决定了新型量子器件的关键特性。”

该研究为光和真空的量子态以及它们与时间的关系提供了令人着迷的新见解。他们开发的理论最终可以促进在量子光学和量子信息应用中使用时间相关的光量子态。在他们未来的工作中,研究人员计划进一步探索这一主题,研究真空中发生的轻微运动与称量子纠缠现象之间的关系。

“我们很好奇这些量子涨落的重新分布是如何与量子纠缠有关的,这种现象为量子计算机提供动力,并代表了安全量子通信的资源。”Burkard说。“我们还想知道测量(即'看'')真空场如何影响这些波动,以及挤压状态如何用于超快光谱。”

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