2026年10月14日——电压波动、光波动、温度波动——任何波动都很麻烦，因而并不受欢迎。它们不仅会带来不适；在工程和医疗应用中，它们还会影响测量精度，或在控制中引入误差。即使在量子现象的微小层面，波动也被认为是不利的。但如果某些波动能够变得有用呢？印度理工学院孟买分校（IIT Bombay）的一项理论研究显示，光中结构化的量子涨落可用于感测并产生有用的量子光学信号。

IIT Bombay物理系的Kartik Prabhu先生和Gopal Dixit教授提出了一种新方法，利用量子材料石墨烯作为传感器来探测光中的量子涨落。他们的研究发表在美国物理学会期刊 Physical Review B Letter上，表明当经过特殊制备的量子光照射到石墨烯上时，其与石墨烯的相互作用可以揭示入射光的量子性质信息。研究还表明，通过精心设计入射光中的量子涨落，可以产生定制的高频发射。 

“我们的研究首次将量子光、量子材料以及极紫外频率范围内的高次谐波产生结合在一起”，Gopal Dixit教授说。高次谐波产生是一种用于对电子动力学成像的新兴技术，甚至能够实时追踪复杂的化学反应。该方法曾获2023年诺贝尔物理学奖，其做法是将短而强的激光脉冲照射到惰性气体或特定固体上，以获得持续时间极短、为阿秒量级（十亿分之一的十亿分之一秒）的脉冲，其频率是原始激光频率的精确整数倍。 

光中的量子涨落

在经典物理学中，光被视为一种波，并由其强度（振幅）以及波峰的初始偏移（相位）来描述。当在时间、空间和强度上缩小到极小尺度时，便进入了量子物理的领域。在这里，光以强度和相位值来描述，而两者都存在一个不确定范围。

即使在完全真空或完全黑暗中，某一点的能量大小也会出现暂时的随机变化。海森堡不确定性原理指出，具有特定数学关系的两个量无法被绝对精确地获知。例如，可以精确确定一个粒子的位置或其动量，但不能同时精确确定两者。

光中也存在这种不确定性。由不确定性引起的这些扰动被称为量子涨落。这种不确定性限制了高灵敏度测量，例如原子钟（通过测量原子振动来计时）或 LIGO（激光干涉引力波天文台）的引力波测量。

对于激光，不确定性，即量子涨落，在强度和相位之间均匀分布。在横轴表示强度、纵轴表示相位的图中，均匀分布的量子涨落形成一个不确定性圆。

让激光通过被称为非线性晶体的特定材料，可以以增加另一个参数的不确定性为代价，降低一个参数的不确定性。在相位-强度图中，完美的圆会在一个方向上被压扁，并在另一个方向上被拉长。这种光被称为压缩光。

感测量子涨落

IIT Bombay的这项研究考虑的是，用具有两个沿相反方向旋转的圆偏振频率分量的光照射石墨烯，其中一个分量的频率是另一个的两倍。光与石墨烯相互作用，产生高频光，其频率比入射光高数倍（高次谐波产生）。对于量子涨落未增强的光，可以产生某些高次谐波频率，而另一些（具体为入射光基频的3倍整数倍）则被禁戒。

当研究人员考虑驱动光处于压缩量子态（其量子涨落得到增强）时，结果显示量子涨落激活了原本会被禁戒的信号。理论分析表明，量子涨落会影响发射光的偏振。研究人员考虑了入射光参数的不同变化和组合，并分析了发射光的光谱。他们发现，每种组合都产生了具有特定特征的发射光，这表明发射光可用于感测入射光的特定性质。

虽然对发射光进行基本的数学处理可以揭示入射光的哪个频率分量携带量子涨落，但并未揭示有关量子成分本身的信息。为了揭示量子涨落的信息，研究人员进一步分析了数据。他们表明，发射光中被禁戒的频率分量携带了有关入射光中量子涨落的强度和偏振的独特信息。这一信息为探测入射光中的量子涨落提供了一个实验上可观测的参数。

“所提出方法的一个重要特征是其超快特性。高次谐波产生发生在一个光学周期的一小部分时间内，使得能够在极短的时间尺度上探索量子光与物质之间的相互作用”，Dixit教授说。

尽管本研究聚焦于石墨烯，但其基本思想可能适用于更广泛的一类量子材料和非线性光学系统。接下来，Dixit教授计划探索不同的量子材料。生成数据集以训练机器学习模型，并应用人工智能来推广这一概念，也在计划之中。