量子光驱动的强场非微扰物理学理论

量子光态驱动的高次谐波发生（HHG）：对扩展光谱截止的影响。发射系统示意图，例如气体电池，在强光驱动下产生高次谐波。HHG 光谱在很大程度上取决于驱动场的量子态。例如，当系统被明亮的挤压真空状态（如绿色所示）驱动时，即使该场具有相同的平均强度、相同的频率和相同的偏振，它也会比被经典相干光（如红色所示）照射时发射出更多的谐波。资料来源：Gorlach 等人，《自然物理学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41567-023-02127-y

光与物质之间的非微扰相互作用（即所谓微扰理论无法描述的太强相互作用）一直是众多研究的主题。然而，光的量子特性在这些相互作用中所起的作用以及由此产生的现象至今仍未得到广泛探索。

以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）的研究人员最近提出了一种新理论，描述了量子光驱动的非微扰相互作用的物理学基础。他们在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上发表的这一理论可以为未来探测强场物理现象的实验以及新量子技术的开发提供指导。

最近发表的这篇论文是由首席研究员伊多-卡米纳（Ido Kaminer）教授、奥伦-科恩（Oren Cohen）教授和迈克尔-克鲁格（Michael Krueger）教授领导的以色列理工学院三个不同研究小组密切合作的成果。学生阿列克谢-戈尔拉赫（Alexey Gorlach）和马坦-埃文-楚尔（Matan Even Tsur）是论文的共同第一作者，在迈克尔-伯克（Michael Birk）和尼克-里维拉（Nick Rivera）的支持和建议下，他们率先开展了这项研究。

"这对我们来说是一次重要的科学之旅，"Kaminer 教授和 Gorlach 告诉 Phys.org。"我们早在2019年就开始思考高次谐波发生（HHG）及其量子特征。那时，所有 HHG 实验中的光都是用经典方法解释的，我们想找到量子物理学何时开始在其中发挥作用。

"坦率地说，令我们困扰的是，物理学中的几个基础现象分别由完全不同的理论解释，因此无法将它们联系起来。例如，HHG 所依据的理论与通常用于计算自发辐射的理论相矛盾--两者的解释依据不同。"

HHG是一种高度非线性的物理过程，它涉及光与物质之间的强烈相互作用。具体来说，当强光脉冲作用于物质时，物质会发出驱动强光脉冲的所谓高次谐波。

几年来，卡米纳教授和他的研究小组一直在努力设计一个基于量子理论的单一框架，以综合解释包括高次谐波在内的所有光子学现象。他们在 2020 年发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的第一篇论文介绍了这一统一框架的拟议版本，用量子光学语言分析了 HHG。

"Kaminer教授和Gorlach解释说："这项研究有助于开辟目前正在崛起的量子HHG领域。"尽管如此，所有的 HHG 实验都是由经典激光场驱动的。甚至似乎不可能有任何量子光强足以产生 HHG。然而，玛丽亚-切霍娃教授的研究表明，有可能以一种被称为亮挤压真空的形式产生足够强的量子光。这激发了我们新的研究"。

不同驱动光状态下的高次谐波发生光谱。(a) 光态的 Husimi 分布 Q(α)，它大约足以确定整个高次谐波发生的发射光谱。这里显示的是相干态（红色）、福克态（蓝色）、热态（橙色）和亮挤压真空态（绿色）的 Husimi 分布 (b) 相干态、福克态、热态和亮挤压真空态的高次谐波光谱对数刻度。所有驱动光状态的强度、频率和偏振都相同。光谱垂直移动以提高可见度。在数值计算中，驱动场的强度为 1014 W/cm-2，驱动场的波长为 λ0=800 nm。资料来源：Gorlach 等人，《自然物理学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41567-023-02127-y

作为新研究的一部分，卡米纳教授、戈尔拉赫和他们的同事设计了一个完整的框架，描述由量子光驱动的强场物理过程。为了从理论上验证他们的框架，他们将其应用于 HHG，预测这一过程在量子光的驱动下会发生怎样的变化。

"Kaminer教授和Gorlach教授说："我们发现，与预期相反，许多重要特征，如强度和光谱，都会因为使用具有不同量子光子统计量的驱动光源而发生变化。"我们撰写的论文还预测了实验上可行的情况，除了考虑光子统计量之外，其他任何方法都无法解释这些情况。这些即将进行的实验将对这个正在崛起的强场量子光学领域产生更大的影响和重要意义。"

到目前为止，这个研究团队所开展的工作都是纯理论的。他们的论文首次提出了量子光驱动的非微扰过程理论，同时也从理论上证明了光的量子态会影响可测量的量，如发射光谱。

"我们的理论的工作方式是将驱动光分成两种表征之一，称为广义格劳伯分布或胡西米分布，然后使用 HHG 场的传统模拟--时变薛定谔方程（TDSE）--分别模拟分布的各个部分，再将模拟结果结合在一起，得出总体结果，"卡米纳教授和戈尔拉赫教授说。

"我们的工作之所以强大而有用--适用于任意的光量子状态和任意的发射器系统--正是因为我们将物理学界的标准工具与这样一种量子光学计算方案结合在了一起。

卡米纳教授、戈尔拉赫及其同事推导出的新理论很快就能为物理学不同领域的研究提供参考。事实上，他们的论文设想将这一想法推广到 HHG 以外的各种非微扰过程，这些过程都可以由非经典光源驱动。

这一理论预测很快就能在实验环境中得到检验和验证。例如，研究小组的理论可以直接应用于通过 HHG 产生阿秒脉冲，这一过程可以支撑量子传感和量子成像技术的运作。

在这方面，研究小组最近在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上发表了一篇理论论文，提出利用光的量子特性控制阿秒脉冲轮廓，例如，使用经典光和量子挤压光的混合光就显示出良好的条件。

此外，他们的理论还可应用于其他基于强场物理学的现象，如康普顿效应，这是一种用于产生X射线脉冲的过程。

"关于康普顿效应，Kaminer 和 Gorlach 补充说："我们最近在《科学进展》（Science Advances）上发表了一篇关于这一应用的后续论文，由于同行评审过程中的延误，这篇论文最终提前发表了。"我们现在正在努力进行我们论文中理论上讨论的实验。

"另一个雄心勃勃的目标是将所开发的理论推广到 HHG 之外，并研究强光驱动下各种材料的量子效应，这将我们在量子光学方面的新发展与凝聚态物理的前沿领域联系起来。

参考信息

 Alexey Gorlach et al, High-harmonic generation driven by quantum light, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02127-y

Matan Even Tzur et al, Photon-statistics force in ultrafast electron dynamics, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01209-w

Majed Khalaf et al, Compton scattering driven by intense quantum light, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade0932

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