2026年9月10日——量子技术有望通过操控原子和分子的能态，变革从医学、传感，到计算和通信等领域。这些操控是通过激光脉冲控制量子态来实现的。然而，这种控制通常所需的强激光场可能引发不良效应，破坏其原本旨在操控的系统。如今，Stevens 的研究人员及其合作者开发出一种新方法，能够精确控制量子系统，同时避免这些不良效应。 

“激光是一种能够产生非常窄、方向性极强的光束的装置，”Svetlana Malinovskaya 解释说。她是 Charles V. Schaefer, Jr. School of Engineering and Science 的教授，研究重点是量子科学和量子系统控制。“与阳光或普通灯泡、手电筒发出的向四面八方散射的光不同，激光产生的光中所有波都以高度同步的方式一起传播，从而使光能够被高度聚焦并以极高的精度控制。”

当这种强波到达量子系统时，其被称为光子的能量单元会被该系统的原子和分子吸收，将这些粒子推入更高能态。如果激光场非常强，一个原子或分子可能同时与多个光子相互作用，在其能态之间打开额外路径，并扰乱量子系统中期望的动力学过程，使其难以预测或控制。这些不想要的相互作用被称为多光子过程。 

“通过将激光照射到分子上，我们可以以受控方式激发分子振动，并了解分子性质，”Malinovskaya 说。“但是，当使用非常强的激光场进行精确量子控制时，它们也可能触发不想要的多光子过程，使分子能够进入许多不同的状态和路径，从而使其行为更难以预测和控制。”

当科学家需要精确控制时——例如，为量子计算操控量子系统或进行高灵敏度测量时——这种不可预测性是一个主要问题。“这不是我们所需要的，尤其是在量子计算或量子传感所需的精密测量中，”Malinovskaya 说。“在这些系统中，每一个光子都至关重要。”在这些应用中，光与物质的相互作用必须以极高精度加以控制，因此研究人员希望只使用刚好足够的光来控制量子系统，而不引入不想要的过程。 

在他们的新研究中，Malinovskaya 及其合作者提出用一种他们称为“数字化”的激光脉冲版本来解决这个问题。他们的计算表明，使用一系列 12 个短的低强度激光脉冲，会产生与一个长而强的脉冲相同的效果，但不会将原子或分子推入难以控制的不想要状态。  

“我们建议不要使用一个非常强的激光脉冲，而是用一个精心编程的弱脉冲序列——或称脉冲列——来模拟其效果，”Malinovskaya 解释说。“每个脉冲携带的能量要少得多，但其时序、强度、频率和相位都经过精确计算和控制。”研究人员计算出，这一脉冲列能够像强得多的脉冲一样，使量子系统从一个状态逐渐转移到另一个状态——在每一步都保持激光强度低得多的同时，实现相同的预期结果。

这篇题为 Digitizing ultrafast adiabatic passage with a pulse train 的论文于 2026 年 9 月 10 日发表在 Journal of the Optical Society of America B 上。 

这项新技术可能有益于量子传感器、量子计算机和量子模拟器，在这些设备中，可靠地制备和操控量子态对于进行精确测量或执行计算至关重要。它也可能在分子物理或光谱学中特别有用，因为强激光脉冲会产生干扰测量的不良效应。在生物学和医学中，基于激光的技术被广泛用于成像以诊断疾病，降低激光脉冲强度可以最大限度地减少对敏感细胞和组织的损伤，因此新方法为这一问题提供了解决途径。 

Malinovskaya 指出，虽然这篇论文是理论性的，但它列出了所有必要的计算。“下一步将是实际测试它，”她说。“当通过实验得到验证时，这种方法将开辟一条利用较弱激光场精确控制量子系统的新途径，使其更容易在实际应用中采用。”