第二次量子革命的光子学

激光器和其他光子系统是第二次量子革命的推动者。据主要供应商报告，相关需求正大幅增长。

在Theodor W.Hänsch教授因其在高精度激光光谱学和光频梳技术方面的研究成果于2005年获得诺贝尔物理学奖之前，这位马克斯-普朗克量子光学研究所的前所长是Menlo Systems GmbH公司的创始人之一。该公司目前拥有100多名员工，凭借其一系列光学频率梳和量子激光系统，成为未来量子技术市场的全球领导者。

据Menlo Systems公司的量子技术和计量专家Benjamin Sprenge博士介绍，该公司的光子解决方案目前已在六大洲和未来市场的所有四大支柱领域得到应用。他解释说：“我们在量子通信、量子模拟、量子计算和量子传感器领域都有客户，我们认为光子解决方案在这四个领域都有巨大的市场机遇。”

在第一次量子革命中，量子机械过程的使用为激光、计算机芯片、晶体管和其他半导体技术以及现代医疗和通信技术铺平了道路。利用激光可以控制量子效应，而不仅仅是利用它们。激光可以将原子和离子冷却到几乎绝对零度（0开尔文或-273.15°C），并利用激光捕捉、移动和定位原子和离子。同样基于激光技术，高分辨率激光光谱学和上述光学频率梳可以实现超精确的频率和距离测量，并确定原子核中质子的半径。

简而言之：作为使能技术，激光系统为量子态的可控性提供了必要的精度，并因此可用于计算、模拟、通信和传感器。但要做到这一点，激光系统必须满足很高的要求。他解释说：“例如，用于量子计算的激光系统必须具有极低的噪声，而且理想情况下，所有必要的激光器（每种激光器都针对特定的原子跃迁进行了调谐）都应通过光纤到达实验现场。

“这仍然是一个挑战，尤其是在紫外线范围内，需要新的发展，并改进现有的解决方案。与其他应用领域一样，对于量子技术中使用的复杂激光系统，保证全天候稳健运行非常重要。”

自2011年成立以来，波尔多阿基坦大区光学研究所（Institut d’Optique d’Aquitaine）的衍生公司MuQuans(µQuans)已成长为量子技术应用领域的重要先驱。意大利地球物理学家利用其绝对量子重力仪对埃特纳活火山进行了广泛的重力测量。合作伙伴Pasqal公司也使用了µQuans公司的激光器：该公司正在开发一种光量子计算方法，并且，该方法已在世界范围内得到广泛认可。其目的是开发一个可以进行量子模拟和计算的量子平台。

为此，Pasqal正在利用激光对里德堡原子进行量子操纵。据µQuans公司创始人Bruno Desruelle介绍，合作伙伴正在调整量子重力仪中安装的激光技术，以适应Pasqal平台的特殊要求。他强调说：“这将使他们能够使用在运行条件下经过量子技术验证的系统，这些系统已被证明具有独特的性能、坚固性和可靠性。”

Desruelle确信光子解决方案在量子技术方面的潜力。“激光可以在各个领域发挥关键作用，因为它们可以实现对量子物体的高效操纵。这包括使用重力仪或惯性传感器的量子传感器、使用原子钟的时间和频率测量，或在量子通信和量子信息处理领域。”

“特别是在最后提到的应用中，激光是几乎所有正在考虑的方法的推动技术，无论它们是基于离子、里德堡原子还是捕获光子。这推动了对量子专用激光系统和光学解决方案的需求。我们看到了科学领域的大量活动，其中有大量令人兴奋的研究项目，以及由充满活力的初创公司推动的不断发展的量子产业。”

其中一家初创公司是Jena量子光学公司(QUJ)，它是从同样位于耶拿的弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所(IOF)分拆出来的。该公司的创始人Oliver de Vries博士和Kevin Füchsel博士曾在IOF从事过多个研究项目，现在正全力进行产品开发。

第一个产品是微型纠缠光子源：纠缠曾被爱因斯坦形容为“幽灵”，它描述了一对粒子的量子力学状态之间的联系，即使粒子之间相隔很远，这种联系依然存在。创始人团队的研究重点是量子计算机、量子通信以及量子传感器和成像。

Füchsel解释说：“最初，我们的重点是量子通信，因为我们期望在这一领域看到首批可投入市场的应用。通过纠缠光子，QUJ实现了量子密钥分发(QKD)系统，从而确保了空间光纤激光通信的安全。该公司的解决方案每秒可产生数百万个纠缠光子对，由于当今的纳秒级精确分辨率和高精度偏振测量，这些光子对是可以精确分配的。公司创始人也正在为此开发解决方案。”

“我们还在实施软件，以实现从量子态检测到使用生成的关键材料的信息处理。”

现在，我们看到显示光子学技术越来越多地应用于不同尺度的成像和传感：包括在宏观光学领域使用混合折射/衍射光学、利用硅光子学用于微光学的可能性的日益明显的趋势；在纳米光子学领域，光学超表面(OM)——即在亚波长尺度上形成图案的表面，可以非常有效地操纵光；这也是正在进行的技术转让的证据。

在今年发表的论文中，已有研究团队将这些想法应用于实际问题，取得了一系列科研成果。

例如，最近报道了一种单次光学定位技术，使观察者能够以优于100皮米的精度检测纳米线的位置。这是通过绘制由线衍射的拓扑结构光的强度分布图，然后使用深度学习技术来分析散射光并根据衍射图案确定纳米线的位置来实现的。

这些光学测量中实现的皮米级精度是原子典型尺寸的一小部分，并且小于纳米线的热运动幅度。因此，它远远超出了传统光学显微镜的空间分辨率。

另一个标志着光子学兴起的实验结果表明，皮米尺度的光诱导现象如何导致新的物质状态的实现——所谓的连续时间晶体。

Wilczek关于时间晶体自发打破时间平移对称性的最初设想在早期就遭到了根本性的反对。然而，研究人员已经实现了这个想法的变体：即所谓的离散或Floquet时间晶体。这些系统在周期性外部参数力的影响下通过振荡打破时间平移对称性，并且已经在严格的实验条件下在各种系统中得到证明：包括捕获离子、量子比特、原子和自旋系统，甚至全光学平台。

“时间晶体是由处于最低能态的重复运动的粒子组成的量子系统。正因为如此，时间晶体已经处于量子基态，因此无法静止并向周围环境损失能量，从而代表了一种在没有动能的情况下的无能量运动。”

在光学领域维持光子时间晶体的能力可能会对光科学产生深远的影响，从而在未来实现真正颠覆性的应用。

事实上，光科学已经广泛应用于我们的生产、生活之中。

在从卫星到地球的光纤通信和基于激光的数据传输领域，世界各地的科学家团队正在努力使量子技术在绝对安全可靠的光通信中发挥作用。虽然这听起来像是科幻小说，但却惊人地真实。科学家们正在研究的问题包括：尘埃和云层对通信的影响、地球和太空中的接收望远镜的最佳尺寸、量子密钥在轨道上数十公里或太空中数十万公里范围内的可靠传输......

另一个令人兴奋的趋势是人工智能(AI)和机器学习(ML)或深度神经网络(DNN)的日益广泛使用。光科学应用于这些领域有望带来巨大的潜力，特别是对于生物医学应用，并且已经成为了游戏规则的改变者。

目前，至少有一点已经很清楚：找到实用答案的途径将是利用激光和其他光子技术。

参考链接：

[1]https://world-of-photonics.com/en/newsroom/photonics-industry-portal/detail/second-quantum-revolution.html

[2]https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_34/september_2023/features/the_birth_of_picophotonics/

[3]https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2023-0126/html

[4]https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_34/september_2023/features/the_birth_of_picophotonics/