量子世界与我们日常经典世界的一个区别在于其纠缠的能力——当两个或多个物体共享一种无形的连接，这种连接将它们的命运交织在一起。量子纠缠是量子连接的最极端形式，在量子纠缠中，测量一个粒子可以告诉你关于另一个粒子你需要知道的一切。即使没有达到那种程度，粒子仍然可以以明确的量子方式同步，在量子同步中，测量一个粒子会给你一些关于另一个粒子的不完整信息。这种量子关联可以用来进行比经典测量更精确的测量。例如，它们可以帮助我们探测引力波。
光子通常不会以这种方式自然连接。但当它们这样做时，量子关联光子可能有助于研究材料的量子特性。然而，生成这种量子光是棘手的，到目前为止，主要局限于少数几个光子。
另一方面，电子、原子和分子一直都在材料内部参与大规模的量子关联。例如，金属内部同步的电子会在低温下产生超导性，物理学家推测，高温超导性、奇异的分数电子材料等等也会发生。现在，以色列、奥地利、英国和美国的物理学家团队已经找到了一种方法，可以将来自此类材料的复杂量子关联模式印刻到光上。该团队最近在《自然·物理学》上解释说，这种方法可以产生宽频率范围的明亮量子光。
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“想象一下拥有肉眼可见的量子光，”以色列理工学院电气与计算机工程师、该研究的资深作者Ido Kaminer说。“那将是惊人的，而且它也将为量子科学的应用带来许多你原本不会考虑的优势。”
研究人员的想法建立在一种用于产生明亮光脉冲的现有工艺之上。这个过程被称为高次谐波产生，它涉及将明亮的激光束照射到原子气体上，或者最近照射到固体晶体上，例如氧化锌，氧化锌是许多矿物防晒霜中的活性成分。气体原子或固体吸收激光，反过来发射更高谐波的光：如果输入光像钢琴上的中央C，则发射光相当于数百个八度音阶之上的许多C音。
这些发射结合起来产生的光脉冲在一秒的一万亿分之一的极小部分时间内通过。如果 направлены на электроны, атомы или молекулы, эти короткие импульсы можно использовать для захвата высокоскоростных видео.
对于他们的新研究，研究人员旨在了解源材料（无论是气体还是矿物）内部的量子关联将如何影响射出光脉冲的量子特性（如果有的话）。“高次谐波产生是一个非常重要的领域。然而，直到最近，它仍然是用光的经典图景来描述的，”Kaminer说。
在量子力学中，弄清楚同时发生在几个以上的粒子身上的事情是出了名的困难。Kaminer和他的实验室的研究生Alexey Gorlach利用他们因新冠疫情而被隔离的时间，试图在对高次谐波中发射的光进行完全量子描述方面取得进展。“这真的很疯狂；Alexey建立了一个超级复杂的数学描述，其规模是我们以前从未有过的，”Kaminer说。
接下来，为了充分结合用于产生这种光的材料的量子特性，Kaminer和Gorlach与当时在剑桥大学攻读研究生、现在在哈佛大学担任博士后研究员的Andrea Pizzi合作。
“这是一个非常漂亮的数学框架，可以用来攻击非常棘手的中观世界，”马德里自治大学的光-物质相互作用专家、物理学家Elena del Valle说，她没有参与这项工作。“中观”指的是任何结合了中等数量粒子的东西：多于几个但又不是那么多以至于个体行为完全无关紧要。在这里，这意味着许多光子及其量子关联。
研究人员的结果精确地阐明了源的量子关联将如何转化为发射光的量子关联。
如果这种量子光在实验中成功产生，那么它可能有两种主要的实际用途。首先，它可以深入了解产生它的材料。“量子特性是许多事物的核心，例如高温超导体，”Kaminer说。“这将教会你一些你原本看不到的东西。”
其次，量子光可以用作光源，尤其是在X射线成像的情况下。在这个领域，关联光可以拾取原本无法访问的额外量子信息。“一旦你进入X射线领域，”Kaminer说，“那么你就可以用它来对材料进行成像，穿透样品。”
Kaminer说，今天用于高次谐波产生的原子和材料没有任何有趣的量子特性可言，因此不会产生量子光。为了选择一种材料进行研究并在实验室中产生这种光，科学家们正计划与一个实验小组合作。他们警告说，真正的实施可能并非易事。
“从这里到实验，仍然会有一些艰苦的工作、创新工程和理论发展，”Pizzi说。但研究人员有几个有希望的实验想法，Pizzi和他的合作者，以及该领域的其他人，都持乐观态度。“将所有这些组合在一起用于少量原子，在强脉冲激发下，目前还不是科幻小说，”del Valle说。如果实现，这项技术可以让科学家以前所未有的方式一瞥物质的完整量子复杂性。