图：由量子光态驱动的高次谐波产生(HHG):对扩展光谱截止的影响。发射系统的示意图，例如，由强光驱动产生HHG的气体电池。HHG光谱在很大程度上取决于驱动场的量子态。例如，当系统被明亮的压缩真空状态(绿色)驱动时，它比被经典相干光(红色)照射时发出更多的谐波
光和物质之间的非微扰相互作用(即，相互作用太强，无法用所谓的微扰理论来描述)一直是许多研究的主题。然而，光的量子特性在这些相互作用中所起的作用以及由此产生的现象至今仍未被广泛探索。
以色列理工学院的研究人员最近介绍了一种新的理论，描述了量子光驱动的非微扰相互作用的物理学基础。他们的理论发表在Nature Physics上，可以指导未来探索强场物理现象的实验，以及新量子技术的发展。
这篇论文是以色列理工学院三个不同研究小组密切合作的结果，由首席研究员Ido Kaminer教授、Oren Cohen教授和Michael Krueger教授领导。学生Alexey Gorlach和Matan Even Tsur是论文的共同第一作者，他们在Michael Birk和Nick Rivera的支持和想法下领导了这项研究。
“这对我们来说是一次重大的科学之旅，”Kaminer教授和Gorlach告诉Phys.org。“我们已经在2019年开始考虑高次谐波产生(HHG)及其量子特征。当时，所有HHG实验中的光都是经典的，我们想知道量子物理什么时候开始发挥作用。
“坦率地说，物理学中的几个基本现象都是由完全不同的理论来解释的，因此不可能把它们联系起来，这让我们很困扰。例如，HHG基于一个与通常用于计算自发排放的理论相矛盾的理论，每个理论都有不同的解释基础。”
HHG是一种高度非线性的物理过程，需要光与物质之间的强烈相互作用。具体来说，当强烈的光脉冲作用于物质时，物质会发出所谓的高次谐波驱动强光脉冲。
几年来，Kaminer教授和他的研究小组一直在尝试设计一个基于量子理论的单一框架，该框架将共同解释包括HHG在内的所有光子学现象。他们关于这个主题的第一篇论文于2020年发表在Nature Communications 上，介绍了这个统一框架的提议版本，用量子光学的语言分析了HHG。
图：不同驱动光状态下的高次谐波产生光谱
“这项研究有助于打开现在正在兴起的量子HHG领域，”Kaminer教授和Gorlach解释说。“尽管如此，所有的HHG实验都是由经典激光场驱动的。甚至似乎不可能有任何量子光的强度足以产生HHG。然而，Maria Chekhova教授的工作表明，以一种被称为明亮压缩真空的形式创造足够强的量子光是可能的。这激发了我们的新研究。”
作为他们新研究的一部分，Kaminer教授，Gorlach和他们的同事设计了一个完整的框架来描述由量子光驱动的强场物理过程。为了从理论上验证他们的框架，他们将其应用于HHG，预测如果由量子光驱动，这个过程将如何变化。
Kaminer教授和Gorlach教授说:“我们发现，与预期相反，许多重要的特征，如强度和光谱，都是使用具有不同量子光子统计的驱动光源的结果。”“我们写的论文还预测了实验上可行的场景，除了考虑光子统计外，其他任何方法都无法解释。这些即将到来的实验将对这个新兴的强场量子光学领域产生更大的影响和重要性。”
到目前为止，这组研究人员所做的工作纯粹是理论性的。他们的论文介绍了由量子光驱动的非扰动过程的第一个理论，同时也从理论上证明了光的量子态影响可测量的量，如发射光谱。
Kaminer教授和Gorlach教授说:“我们的理论工作方式是将驱动光分成两种表示，称为广义Glauber分布或Husimi分布，然后使用HHG场的传统模拟，即时间相关薛定谔方程(TDSE)，分别模拟分布的各个部分，然后将模拟结合在一起得出总体结果。”
“将标准工具连接到这样一个量子光学计算方案中，使我们的工作变得强大而有用——适用于光的任意量子态和任意发射器系统。”
由Kaminer教授、Gorlach教授和他们的同事们提出的新理论可能很快就会影响到物理学不同领域的研究。事实上，他们的论文设想将这个想法超越HHG，扩展到大范围的非微扰过程，这些过程都可以由非经典光源驱动。
这一理论预测很快就会在实验环境中得到检验和验证。例如，该团队的理论可以直接应用于通过HHG产生阿秒脉冲，这一过程可以支撑量子传感和量子成像技术的功能。
在这方面，该团队最近在Nature Photonics上发表了一篇理论论文，提出利用光的量子特性来控制阿秒脉冲轮廓，例如，使用经典光和量子压缩光的混合显示出有希望的条件。
此外，他们的理论可以应用于其他基于强场物理学的现象，比如康普顿效应，一种用来产生x射线脉冲的过程。
“我们最近在Science Advances上发表了一篇关于这一应用的后续论文，由于同行评议过程的延迟，该论文最终提前发表，”Kaminer和Gorlach补充道。“我们现在正在努力进行我们论文中理论上讨论的实验。
“另一个重要的目标是将发展的理论推广到HHG之外，并研究由强光驱动的各种材料中的量子效应，这将我们在量子光学方面的新发展与凝聚态物理的前沿联系起来。”
