量子光将超快激光过程提升20倍

光与物质之间的非线性相互作用，是现代光学中一些最强大工具的核心，但将这些过程推向极致一直受制于一个根本性限制：激光越强，就越有可能摧毁它所照射的任何东西。

通过发表在《自然》杂志上的新实验，华东师范大学吴健及其同事找到了一条绕过这一难题的途径，方法正是利用光本身的量子特性。

激光损伤阈值

大多数光学过程是线性的：如果原子被激光照射，它会一次吸收一个光子，其响应随光强成比例变化。相反，非线性过程则需要多个光子几乎同时到达同一个原子，从而产生诸如同时吸收多个光子、以及重新发射出频率为原始激光数倍的光等效应。

与线性过程相比，这些效应对光强的依赖要陡峭得多，这使得它们对物理学家格外有用。然而，这通常需要使用非常强的激光脉冲，这些脉冲可能会损伤甚至毁坏与之作用的材料。迄今为止，这给该方法的推进设下了一个难以逾越的上限。

提升能量

为了解决这个问题，吴健团队转而采用一种称为亮压缩真空态的量子光。与光子以可预测的速率到达的普通激光不同，BSV态的特征是，在任意给定瞬间到达的光子数目会出现极端的涨落。这种涨落意味着，即便在较低的平均功率下，一个BSV脉冲也能输送出巨大的光子爆发，其强度足以驱动通常需要强得多的激光才能实现的非线性过程。

为了检验这一概念，研究人员采用了一种名为隧穿电离的关键非线性过程。在这一过程中，强光场使得钠原子周围的电学环境发生严重畸变，以至于一个电子实际上可以直接击穿束缚它的势垒而逃逸。

当他们测量释放出来的电子的能量和动量时，研究人员发现，平均能量仅为 300 纳焦的 BSV 脉冲产生了与传统激光脉冲相同的非线性效应——这意味着在平均功率没有增加的情况下，增强效果超过 20 倍。该团队还证明，他们可以随意调高或调低脉冲的强度，而脉冲能量完全不发生变化。

开启阿秒物理新篇

这些结果通过精细调控光源的量子特性，开辟了一条控制强场过程的新途径。这对阿秒科学（涉及仅持续十亿分之一秒的十亿分之一那么短的脉冲）可能意义重大。

迄今为止，这一领域几乎完全依赖经典激光源——但通过将量子光学工具引入该领域，该团队的结果或许指向这样一个未来：极端光与物质的相互作用，将能够以远超以往的精确度进行驱动和控制，而伴随的附带损伤风险则远低于从前。

相关内容：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-026-10485-9