激光是在60年前的今年创造的，当时美国独立实验室推出了三种不同的激光设备。几年后，这些发明者中的一位称异常光源为“寻求问题的解决方案”。如今，激光已应用于科学，医学和日常技术领域的无数问题，每年的市场规模超过110亿美元。
激光与传统光源之间的关键区别是光束的“时间相干性”，或仅仅是相干性。光束的相干性可以用数字C来衡量，它考虑到了光既是波又是粒子。
甚至从制造激光之前，物理学家就认为他们确切地知道激光的相干性。现在，两项新的研究（一项由我本人和澳大利亚的同事进行，另一项由一组美国物理学家进行的研究）表明C可以比以前认为的更大。
激光如何获得相干性？
相干C大致是连续发射到同一相位的光束中的光子（光的粒子数）（全部一起挥动）。对于典型的激光器，C非常大。数十亿个光子发射到光束中，一起挥舞。
这种高度的相干性使激光器适合于高精度应用。例如，在许多量子计算机，我们将需要的光的高度相干光束在特定的频率来控制大量的量子位上的很长一段时间。未来的量子计算机可能需要具有更大相干性的光源。
长期以来，物理学家一直认为，激光的最大相干性受称为Schawlow-Townes极限的铁定律支配。它是以两位美国物理学家的名字命名的，他们在1958年从理论上推导了这一点，并因其激光研究而获得了诺贝尔奖。他们指出，光束的相干性C不能大于N的平方，即激光器本身内部的能量激发数。（例如，这些激发可以是光子，也可以是处于激发态的原子。）
提高极限
但是，现在出现了两篇理论论文，它们通过对激光进行重新成像来推翻Schawlow-Townes极限。基本上，Schawlow和Townes对如何将能量添加到激光器（增益）以及如何释放能量以形成光束（损耗）进行了假设。
当时的假设是合理的，并且仍然适用于当今制造的激光器，但是量子力学并不需要这些假设。过去十年左右，随着量子技术的惊人发展，我们的想象力不必受到标准假设的限制。
第一篇论文于本周发表在《自然物理学》上，该论文是由我所在的格里菲斯大学和麦格理大学的合作者共同完成的。我们引入了一种新模型，该模型在增益和损耗过程上均与标准激光器不同，其相干性C等于N至四次方。
在包含与普通激光器一样多的光子的激光器中，这将使C比以前大得多。此外，我们证明了这种激光器原则上可以使用超导量子位和电路技术来构建，该技术用于目前最成功的量子计算机中。
匹兹堡大学团队的第二篇论文尚未在同行评审的期刊上发表，但最近发表在物理学预印本上。这些作者使用的方法略有不同，最终得出一个模型，其中C像N一样增加到三次方。该小组还建议使用超导设备制造激光器。
重要的是要注意，在两种情况下，激光都不会产生可见光，而是会产生微波。但是，正如第二篇论文的作者明确指出的那样，这正是超导量子计算所需的源类型。
我们可以更高吗？
标准限值是Ç成正比ñ ²，匹兹堡集团实现Ç比例ñ ³，我们的模型Ç比例ñ ⁴。其他模型能否实现更高的连贯性？
不，至少如果激光束具有我们期望的理想相干性，则不会。这是我们自然物理学论文中证明的另一结果。与光子数量的四次方成正比的相干性是量子力学所允许的最佳结果，我们认为这在物理上是可以实现的。
超过标准方法可达到的极限是海森堡极限。这是因为它与海森堡的不确定性原理有关。
我们称之为海森堡受限的激光器，不仅是激光器设计和性能的一场革命。它还需要从根本上重新思考激光器是什么：不限于当前的设备，而是任何将很少具有相干性的输入变成具有很高相干性的输出的设备。
革命的本质是无法确定革命开始时是否会成功。但是，如果这样做的话，至少在某些应用中，用标准的激光器取代了海森堡有限的激光器，那么这两篇论文将被记住为第一篇。
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