光学研究人员说，量子涨落首次得到控制

量子力学是一门非常奇妙的科学，它揭示了自然界最基本的现象和规律。在量子力学中，我们经常遇到一些非常有趣的概念，比如不确定性原理、波粒二象性、纠缠态等等。今天，我们要讨论的是一个和不确定性原理密切相关的概念，那就是量子涨落。

什么是量子涨落

我们都知道，在经典物理学中，真空是一个完全没有物质和光的空间。在真空中，没有任何能量和动力学过程。但是，在量子物理学中，真空却不是这样的。由于不确定性原理的限制，真空中存在着无穷无尽的随机能量波动，这些波动就叫做量子涨落。

你可以把量子涨落想象成一个平静的海面上突然出现的波浪，只不过这些波浪是在量子场中出现的。这些波浪有各种各样的频率和振幅，但是它们都非常微弱，以至于在正常情况下我们无法观测到它们。但是，在某些特殊的情况下，它们却可以产生一些非常有趣的效果。

量子涨落的应用

既然量子涨落这么微弱，那么它们会有用处吗？事实上，量子涨落是一种非常重要的物理资源，它们可以用来做很多有意思的事情，这里我们就举几个例子。

生成随机数。随机数在密码学和计算机模拟中有着广泛的应用，但是真正的随机数却很难生成。量子涨落却可以提供一种纯粹的随机性来源，因为它们是由不确定性原理决定的。在2021年，耶鲁大学和都柏林三一学院的物理学家利用多模激光器产生了一种基于量子涨落的随机数发生器。

实现光学参量振荡器。光学参量振荡器（OPO）是一种利用非线性介质将一个高频光泵浦转化为两个低频光信号的装置。OPO可以用来产生各种特殊的光场，比如纠缠光、压缩光、相干态光等等。OPO的工作原理就是利用量子涨落触发非线性过程。

探测极微弱的信号。由于量子涨落具有随机性和无关性，它们可以作为一种参考信号来探测极微弱的信号。比如，在引力波探测中，人们利用两个相互正交的激光干涉仪来测量引力波造成的长度变化。为了提高灵敏度，人们在激光干涉仪中注入了一种基于量子涨落产生的压缩光，从而降低了噪声水平。

控制量子涨落

既然量子涨落是由不确定性原理决定的，那么我们如何对它们进行控制？这是一个非常有挑战性的问题，因为量子涨落是一种非常微弱的信号，要想对它们进行干涉或者调节，需要非常精密的技术和设备。但是，最近，麻省理工学院的物理学家做出了一个突破性的实验，他们首次实现了对量子涨落的控制。

他们在一个光学谐振腔中放置了一块锂铌酸盐晶体，然后用一个激光泵浦它。这样就可以在晶体中产生两个频率为泵浦光一半的光子，这两个光子就是由量子涨落触发的。这两个光子在谐振腔中循环，并且可以被放大。但是，由于物理过程的限制，这两个光子只能有两种可能的相位，我们可以把它们分别记为0和1。一开始，这两个光子都有可能被放大，但是当其中一个光子的能量足够大以抵消损耗时，系统就会发生一个“分岔转变”，并且选择其中一个相位作为最终结果。这样就可以得到一个随机的0或1。

但是，这个过程并不完全随机，因为我们还可以在谐振腔中注入一个非常微弱的偏置光。这个偏置光可以和泵浦光干涉，并且影响量子涨落的结果。通过改变偏置光的相位和强度，我们就可以对量子涨落进行控制，并且调节0和1出现的概率分布。这就相当于给量子涨落加上了一个“调味料”，让它们变得不那么随机。