光量子假说和量子假说（物理学家为关于集体行为的旧量子光学问题提供了新的视角）

光量子假说和量子假说（物理学家为关于集体行为的旧量子光学问题提供了新的视角）在某些应用中，例如，在所谓的超辐射激光器中，它们对热波动的敏感性低于传统激光器，同步原子是研究人员希望将其纳入其设备的理想特征。在其他应用中，例如尝试物理缩小量子计算的原子阵列，如果不加以适当考虑，集体行为可能会导致意外结果。“你无法逃脱原子的集体性质，它可以发生在比你想象的更大的距离上，”马森说。几十年来，研究人员一直在争论原子是否间隔成不同的排列，如线条或简单的网格，是否会表现出超辐射，或者任何距离是否会立即消除集体行为的这种外在迹象。根据Masson和Asenjo-Garcia的计算，潜力总是存在的。“无论你如何排列你的原子或有多少原子，如果它们足够接近，总会有一个超辐射爆发，”马森说。他们的方法克服了量子物理学中的一个大问题：随着系统变得越来越大，对它进行计算变得越来越复杂。根据Asenjo-Garcia和Masson的工作，预测超辐射都归结为只有两个光子。如果从该组发射的第一个光

当原子相互作用时，它们表现为一个整体而不是单个实体。这可以引起对输入的同步响应，如果正确理解和控制这种现象，可能会证明对开发光源，构建可以进行超精确测量的传感器以及理解量子计算机中的耗散有用。

但是你能说出一个组中的原子何时同步吗？在《自然通讯》的新工作中，哥伦比亚大学物理学家安娜·阿森乔-加西亚（Ana Asenjo-Garcia）和她的博士后斯图尔特·马森（Stuart Masson）展示了一种称为超辐射爆发的现象如何表明原子阵列之间的集体行为，解决了量子光学领域几十年来的问题。

将激光照射在原子上会增加能量，使其进入所谓的“激发”态。最终，它将衰变回其基线能级，以称为光子的光粒子的形式释放出额外的能量。早在1950年代，物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）就表明，单个激发原子发出的光脉冲强度将立即开始下降，该原子在随机时间发射光子。来自一个组的脉冲实际上是“超辐射”的，强度起初会增加，因为原子在短暂明亮的光爆发中发射出大部分能量。

问题出在哪里？在迪克的理论中，原子都包含在一个点上——一种在现实中不存在的理论可能性。

几十年来，研究人员一直在争论原子是否间隔成不同的排列，如线条或简单的网格，是否会表现出超辐射，或者任何距离是否会立即消除集体行为的这种外在迹象。根据Masson和Asenjo-Garcia的计算，潜力总是存在的。“无论你如何排列你的原子或有多少原子，如果它们足够接近，总会有一个超辐射爆发，”马森说。

他们的方法克服了量子物理学中的一个大问题：随着系统变得越来越大，对它进行计算变得越来越复杂。根据Asenjo-Garcia和Masson的工作，预测超辐射都归结为只有两个光子。如果从该组发射的第一个光子没有加速第二个光子的发射，则不会随之而来爆发。决定因素是原子之间的距离，其排列方式不同。例如，如果一个40x40原子的数组彼此的波长在0.8以内，它们将表现出爆发。

根据Masson的说法，在最先进的实验设置中，这是一个可以实现的距离。虽然如果阵列大于16个原子，它还不能填写关于爆发强度或持续时间的细节（这些精确的计算太复杂了，即使在哥伦比亚大学的超级计算机上也是如此），但Masson和Asenjo-Garcia开发的简单预测框架可以表明给定的实验阵列是否会产生超辐射，这是原子集体行为的标志。

在某些应用中，例如，在所谓的超辐射激光器中，它们对热波动的敏感性低于传统激光器，同步原子是研究人员希望将其纳入其设备的理想特征。在其他应用中，例如尝试物理缩小量子计算的原子阵列，如果不加以适当考虑，集体行为可能会导致意外结果。“你无法逃脱原子的集体性质，它可以发生在比你想象的更大的距离上，”马森说。