量子力學(xué)是一門非常奇妙的科學(xué)，它揭示了自然界最基本的現(xiàn)象和規(guī)律。在量子力學(xué)中，我們經(jīng)常遇到一些非常有趣的概念，比如不確定性原理、波粒二象性、糾纏態(tài)等等。今天，我們要討論的是一個和不確定性原理密切相關(guān)的概念，那就是量子漲落。

什么是量子漲落

我們都知道，在經(jīng)典物理學(xué)中，真空是一個完全沒有物質(zhì)和光的空間。在真空中，沒有任何能量和動力學(xué)過程。但是，在量子物理學(xué)中，真空卻不是這樣的。由于不確定性原理的限制，真空中存在著無窮無盡的隨機(jī)能量波動，這些波動就叫做量子漲落。

你可以把量子漲落想象成一個平靜的海面上突然出現(xiàn)的波浪，只不過這些波浪是在量子場中出現(xiàn)的。這些波浪有各種各樣的頻率和振幅，但是它們都非常微弱，以至于在正常情況下我們無法觀測到它們。但是，在某些特殊的情況下，它們卻可以產(chǎn)生一些非常有趣的效果。

量子漲落的應(yīng)用

既然量子漲落這么微弱，那么它們會有用處嗎？事實(shí)上，量子漲落是一種非常重要的物理資源，它們可以用來做很多有意思的事情，這里我們就舉幾個例子。

生成隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)在密碼學(xué)和計算機(jī)模擬中有著廣泛的應(yīng)用，但是真正的隨機(jī)數(shù)卻很難生成。量子漲落卻可以提供一種純粹的隨機(jī)性來源，因為它們是由不確定性原理決定的。在2021年，耶魯大學(xué)和都柏林三一學(xué)院的物理學(xué)家利用多模激光器產(chǎn)生了一種基于量子漲落的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器。光學(xué)參量振蕩器（OPO）是一種利用非線性介質(zhì)將一個高頻光泵浦轉(zhuǎn)化為兩個低頻光信號的裝置。OPO可以用來產(chǎn)生各種特殊的光場，比如糾纏光、壓縮光、相干態(tài)光等等。OPO的工作原理就是利用量子漲落觸發(fā)非線性過程。

探測極微弱的信號。由于量子漲落具有隨機(jī)性和無關(guān)性，它們可以作為一種參考信號來探測極微弱的信號。比如，在引力波探測中，人們利用兩個相互正交的激光干涉儀來測量引力波造成的長度變化。為了提高靈敏度，人們在激光干涉儀中注入了一種基于量子漲落產(chǎn)生的壓縮光，從而降低了噪聲水平。

控制量子漲落

既然量子漲落是由不確定性原理決定的，那么我們?nèi)绾螌λ鼈冞M(jìn)行控制？這是一個非常有挑戰(zhàn)性的問題，因為量子漲落是一種非常微弱的信號，要想對它們進(jìn)行干涉或者調(diào)節(jié)，需要非常精密的技術(shù)和設(shè)備。但是，最近，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家做出了一個突破性的實(shí)驗，他們首次實(shí)現(xiàn)了對量子漲落的控制。

他們在一個光學(xué)諧振腔中放置了一塊鋰鈮酸鹽晶體，然后用一個激光泵浦它。這樣就可以在晶體中產(chǎn)生兩個頻率為泵浦光一半的光子，這兩個光子就是由量子漲落觸發(fā)的。這兩個光子在諧振腔中循環(huán)，并且可以被放大。但是，由于物理過程的限制，這兩個光子只能有兩種可能的相位，我們可以把它們分別記為0和1。一開始，這兩個光子都有可能被放大，但是當(dāng)其中一個光子的能量足夠大以抵消損耗時，系統(tǒng)就會發(fā)生一個“分岔轉(zhuǎn)變”，并且選擇其中一個相位作為最終結(jié)果。這樣就可以得到一個隨機(jī)的0或1。(www.ws46.Com)

但是，這個過程并不完全隨機(jī)，因為我們還可以在諧振腔中注入一個非常微弱的偏置光。這個偏置光可以和泵浦光干涉，并且影響量子漲落的結(jié)果。通過改變偏置光的相位和強(qiáng)度，我們就可以對量子漲落進(jìn)行控制，并且調(diào)節(jié)0和1出現(xiàn)的概率分布。這就相當(dāng)于給量子漲落加上了一個“調(diào)味料”，讓它們變得不那么隨機(jī)。