上世紀50年代，當物理學家們(men) 競相發明第一台激光器時，他們(men) 發現量子力學規則限製了光的顏色純度。從(cong) 那時起，物理學家和工程師就一直在製造激光器時考慮到這些限製。但是來自兩(liang) 個(ge) 獨立的物理學家小組的新理論研究表明，大自然比以前想象的更鬆懈。這些發現可能會(hui) 導致改進的單色激光器用於(yu) 量子計算等應用，研究人員在兩(liang) 個(ge) 擬議的激光器設計中進行了說明。

澳大利亞(ya) 格裏菲斯大學的物理學家霍華德·懷斯曼（Howard Wiseman）說，這項研究“推翻了60年來人們(men) 對激光極限的理解”，他的研究小組去年10月在《自然物理學》上發表了他們(men) 的研究成果。

從(cong) 本質上講，激光是一種光的擴音器。這個(ge) 詞本身，最初是一個(ge) 縮寫(xie) 詞，反映了這一功能：“通過受激輻射的光放大。”發送正確頻率的光子，然後激光器複製它，使原始信號倍增。

這些光子克隆體(ti) 彼此同步地離開激光器，按照專(zhuan) 家的說法“同相”運行。你可以這樣想：每一個(ge) 光子都是一個(ge) 波，它的波峰和波穀與(yu) 它的相鄰光子排成一行，在激光中步調一致地前進。這與(yu) 大多數其他光源形成對比，比如你的閱讀燈，甚至太陽，它們(men) 都發射隨機分散的光子。

光子保持同步的時間越長，光的單色性就越強。光源的顏色與(yu) 其光子的波長相對應，例如，綠光的範圍大約為(wei) 500到550納米。要使多個(ge) 光子長時間保持同步，它們(men) 的波長必須非常精確地排列，這意味著光子必須盡可能接近一種顏色。

這種激光光子的同步性，即所謂的時間相幹性，是這種裝置最有用的特性之一。許多技術都利用了激光驚人的快速和穩定的節奏，它的波形在可見光激光器中以每秒數百萬(wan) 億(yi) 次的速度重複。例如，這種特性支持世界上最精確的計時設備，即光晶格鍾。

但是光子在離開激光器後會(hui) 逐漸失去同步；它們(men) 在一起的時間被稱為(wei) 激光器的相幹時間。1958年，物理學家阿瑟·肖洛和查爾斯·湯斯估算了完美激光的相幹時間。（這是物理學家的一個(ge) 常見設計策略：在構建一個(ge) 更缺乏真實世界設備之前，先考慮最理想的版本。）他們(men) 發現了一個(ge) 被認為(wei) 代表激光最終相幹時限的方程，由物理定律設定。物理學家稱之為(wei) Schawlow-Townes極限。

這兩(liang) 篇新論文發現Schawlow-Townes極限並不是終極極限。匹茲(zi) 堡大學的物理學家戴維·派克（DavidPekker）領導了另一個(ge) 小組，他說：“原則上，應該可以製造出更加相幹的激光器。”他們(men) 的論文目前正在接受同行評審，作為(wei) 預印本發布在arXiv上。

兩(liang) 個(ge) 小組都認為(wei) ，Schawlow-Townes極限是建立在對激光的假設上的，而這些假設已經不成立了。Schawlow-Townes基本上將激光看作是一個(ge) 中空的盒子，在這個(ge) 盒子裏，光子以與(yu) 盒子裏的光量成比例的速率倍增和離開。換句話說，光子從(cong) Schawlow-Townes的激光中流出，就像水從(cong) 桶中的孔中流出一樣。桶裏的水越滿，水流越快，反之亦然。

但是懷斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）都發現，如果你在激光器上設置一個(ge) 閥門來控製光子流的速率，你實際上可以使激光器的相幹時間比Schawlow-Townes極限長得多。懷斯曼的論文更進一步。考慮到這些光子控製閥，他的團隊重新估計了完美激光器的相幹時間限製。懷斯曼說：“我們(men) 證明了我們(men) 的極限是最終的量子極限，這意味著真正的物理極限是由量子力學決(jue) 定的。

懷斯曼說，Schawlow和派克（Pekker）的估計雖然不是物理學家最初認為(wei) 的對激光的基本限製，但在當時是合理的。沒有人能像懷斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）提出的那樣精確地控製激光的光流。但今天的激光是另一回事，物理學家現在可以用為(wei) 新興(xing) 的量子計算產(chan) 業(ye) 開發的多種設備來控製光。

派克（Pekker）與(yu) 同樣來自匹茲(zi) 堡大學的物理學家邁克爾·哈特裏奇（MichaelHatridge）合作，將新的激光設計付諸實踐。哈特裏奇的專(zhuan) 長包括用超導導線構建電路，用於(yu) 儲(chu) 存和控製微波頻率光子。他們(men) 計劃製造一種微波發射激光器，稱為(wei) 微波激射器，用於(yu) 在超導電路製成的量子計算機中編程量子比特。雖然建造這種新的微波激射器需要多年的工作和故障排除，但哈特裏奇說他們(men) 擁有使之成為(wei) 可能的所有工具和知識。“這就是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 對它感到興(xing) 奮，因為(wei) 它隻是另一個(ge) 工程項目，”哈特裏奇說。

懷斯曼正在尋找合作者來構建他的設計，也是一個(ge) 微波激射器。他說：“我真的非常希望這樣，但我認識到這是一個(ge) 長期目標。”

新加坡國立大學的物理學家史蒂文·圖紮德（steventouzard）說，這些設計“完全可行”，他沒有參與(yu) 任何一篇新論文。然而，據圖紮德說，懷斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）的工作可能不會(hui) 直接產(chan) 生有用的商業(ye) 激光器。他指出，激光器的製造商通常不使用Schawlow-Townes極限來指導他們(men) 的設計。因此，推翻這一限製可能更像是理論上的進步，而不是工程上的進步，他說。

奇怪的是，這兩(liang) 種新設計還與(yu) 另一種關(guan) 於(yu) 激光的傳(chuan) 統觀點相矛盾。這些裝置不會(hui) 通過所謂的受激發射產(chan) 生光，而受激發射又構成了激光的首字母縮寫(xie) “s”和“e”。受激發射是光與(yu) 物質之間的一種相互作用，其中光子撞擊原子並“刺激”原子發射相同的光子。如果我們(men) 把激光想象成一個(ge) 光盒，像以前一樣，一個(ge) 用受激發射放大光的激光，將信號與(yu) 光盒中已有的光量成比例地相乘。據圖紮德介紹，2012年發明的另一種激光器被稱為(wei) 超輻射激光器，也不使用受激發射來放大光線。

激光的概念已經過時了。它不再僅(jin) 僅(jin) 是“受激輻射的光放大”。

當然，英語中也有許多這樣的例子。根據俄亥俄州立大學的語言學家米恰·埃爾斯納（MichaElsner）的說法，這種意義(yi) 上的變化被稱為(wei) 語義(yi) 轉移，在“涉及新技術的任何地方”都很常見。“船隻仍然在大洋彼岸航行，即使沒有真正的帆參與(yu) 其中。”埃爾斯納在一封電子郵件中說，“即使你的手機沒有撥號，你仍然可以撥別人的號碼。”

俄亥俄州立大學的語言學家布萊恩·約瑟夫在一封電子郵件中說：“盡管一個(ge) 詞的詞源和起源確實為(wei) 它提供了一個(ge) 起點，但它並不能永遠決(jue) 定它的命運。”

隨著冷戰目標過渡到21世紀的目標，激光也隨之發展。它們(men) 已經存在了很長時間，可以融入現代生活的幾乎所有方麵：它們(men) 可以糾正人類的視力，讀取雜貨店的條形碼，蝕刻計算機芯片，傳(chuan) 輸來自月球的視頻文件，幫助駕駛自動駕駛汽車，並使人的心情變得迷幻。現在，激光又可以重新發明了。擁有60年曆史的設備仍然是科幻未來的象征。