量子世界與我們日常經典世界的一個區別在於其糾纏的能力——當兩個或多個物體共享一種無形的連線，這種連線將它們的命運交織在一起。量子糾纏是量子連線的最極端形式，在量子糾纏中，測量一個粒子可以告訴你關於另一個粒子你需要知道的一切。即使沒有達到那種程度，粒子仍然可以以明確的量子方式同步，在量子同步中，測量一個粒子會給你一些關於另一個粒子的不完整資訊。這種量子關聯可以用來進行比經典測量更精確的測量。例如，它們可以幫助我們探測引力波。
光子通常不會以這種方式自然連線。但當它們這樣做時，量子關聯光子可能有助於研究材料的量子特性。然而，生成這種量子光是棘手的，到目前為止，主要侷限於少數幾個光子。
另一方面，電子、原子和分子一直都在材料內部參與大規模的量子關聯。例如，金屬內部同步的電子會在低溫下產生超導性，物理學家推測，高溫超導性、奇異的分數電子材料等等也會發生。現在，以色列、奧地利、英國和美國的物理學家團隊已經找到了一種方法，可以將來自此類材料的複雜量子關聯模式印刻到光上。該團隊最近在《自然·物理學》上解釋說，這種方法可以產生寬頻率範圍的明亮量子光。
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“想象一下擁有肉眼可見的量子光，”以色列理工學院電氣與計算機工程師、該研究的資深作者Ido Kaminer說。“那將是驚人的，而且它也將為量子科學的應用帶來許多你原本不會考慮的優勢。”
研究人員的想法建立在一種用於產生明亮光脈衝的現有工藝之上。這個過程被稱為高次諧波產生，它涉及將明亮的雷射束照射到原子氣體上，或者最近照射到固體晶體上，例如氧化鋅，氧化鋅是許多礦物防曬霜中的活性成分。氣體原子或固體吸收雷射，反過來發射更高諧波的光：如果輸入光像鋼琴上的中央C，則發射光相當於數百個八度音階之上的許多C音。
這些發射結合起來產生的光脈衝在一秒的一萬億分之一的極小部分時間內透過。如果 направлены на электроны, атомы или молекулы, эти короткие импульсы можно использовать для захвата высокоскоростных видео.
對於他們的新研究，研究人員旨在瞭解源材料（無論是氣體還是礦物）內部的量子關聯將如何影響射出光脈衝的量子特性（如果有的話）。“高次諧波產生是一個非常重要的領域。然而，直到最近，它仍然是用光的經典圖景來描述的，”Kaminer說。
在量子力學中，弄清楚同時發生在幾個以上的粒子身上的事情是出了名的困難。Kaminer和他的實驗室的研究生Alexey Gorlach利用他們因新冠疫情而被隔離的時間，試圖在對高次諧波中發射的光進行完全量子描述方面取得進展。“這真的很瘋狂；Alexey建立了一個超級複雜的數學描述，其規模是我們以前從未有過的，”Kaminer說。
接下來，為了充分結合用於產生這種光的材料的量子特性，Kaminer和Gorlach與當時在劍橋大學攻讀研究生、現在在哈佛大學擔任博士後研究員的Andrea Pizzi合作。
“這是一個非常漂亮的數學框架，可以用來攻擊非常棘手的中觀世界，”馬德里自治大學的光-物質相互作用專家、物理學家Elena del Valle說，她沒有參與這項工作。“中觀”指的是任何結合了中等數量粒子的東西：多於幾個但又不是那麼多以至於個體行為完全無關緊要。在這裡，這意味著許多光子及其量子關聯。
研究人員的結果精確地闡明瞭源的量子關聯將如何轉化為發射光的量子關聯。
如果這種量子光在實驗中成功產生，那麼它可能有兩種主要的實際用途。首先，它可以深入瞭解產生它的材料。“量子特性是許多事物的核心，例如高溫超導體，”Kaminer說。“這將教會你一些你原本看不到的東西。”
其次，量子光可以用作光源，尤其是在X射線成像的情況下。在這個領域，關聯光可以拾取原本無法訪問的額外量子資訊。“一旦你進入X射線領域，”Kaminer說，“那麼你就可以用它來對材料進行成像，穿透樣品。”
Kaminer說，今天用於高次諧波產生的原子和材料沒有任何有趣的量子特性可言，因此不會產生量子光。為了選擇一種材料進行研究並在實驗室中產生這種光，科學家們正計劃與一個實驗小組合作。他們警告說，真正的實施可能並非易事。
“從這裡到實驗，仍然會有一些艱苦的工作、創新工程和理論發展，”Pizzi說。但研究人員有幾個有希望的實驗想法，Pizzi和他的合作者，以及該領域的其他人，都持樂觀態度。“將所有這些組合在一起用於少量原子，在強脈衝激發下，目前還不是科幻小說，”del Valle說。如果實現，這項技術可以讓科學家以前所未有的方式一瞥物質的完整量子複雜性。