Quantum Optics of harmonic generation in the strongly driven Jaynes-Cummings-type system
本文通过对 Jaynes-Cummings 模型的改进，展示了强低频驱动场如何诱导多光子共振并产生高度非经典、量子相关联的高次谐波，从而将腔量子电动力学与强场及阿秒物理学联系起来。
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在现代物理学的广袤版图中，两个世界似乎存在于不同的领域。一方面是研究光与原子在完美隔离状态下相互作用的领域，即被称为量子光学（quantum optics）的领域，科学家们在那里研究当单个光粒子被困在一个微小的盒子中时是如何表现的。另一方面则是强激光物理学领域，强大的激光束撞击物质以产生新的高能光色，这一过程被称为高次谐波产生（high harmonic generation）。几十年来，第二领域的研究人员几乎完全专注于激光的纯粹功率，将光视为一种大规模的经典波，而非单个量子粒子的集合。然而，一条新的研究路径正开始架起这两个世界之间的桥梁，探讨当激光的极端功率遇到腔体内光线的微妙量子特性时会发生什么。问题不再仅仅是光变得有多亮，而是当不同的光色从同一次剧烈的相互作用中诞生时，它们之间可能形成的那些奇异且无形的联系。
一个研究小组通过改进一个经典的理论模型，向回答这一问题迈出了重要一步。该模型最初旨在描述盒子里的一个简单原子，现在被用来模拟一个更加混乱且强大的场景。他们设想了一个被困在腔体中的单个原子，但并没有使用温和的共振光，而是让它承受一个强烈的低频激光脉冲。随着这个强大的脉冲撞击原子，它迫使原子发出更高频率的光，从而产生原始激光频率倍数的各种新颜色。研究人员并不感兴趣这些新颜色的平均亮度，而是对光本身的量子态感兴趣。他们想要观察这种剧烈的相互作用是否会迫使这些新颜色的光变得“纠缠”（entangled）——这是一种现象，即两个独立的粒子或粒子群失去了各自的身份，并以一种违背经典逻辑的方式联系在一起。
研究表明，开启这些奇异量子联系的关键在于一种被称为多光子共振（multi-photon resonance）的特定计时机制。当激光脉冲足够强时，它会移动原子的能量级，就像重物压在弹簧上改变了其振动方式一样。随着脉冲的上升和下降，在某些时刻，原子的偏移能量级会与激光光的能量完美对齐，但前提是原子必须同时吸收或发射多个光子。研究人员发现，当这种对齐发生时，在此特定时刻产生的光变得非常不同寻常。它不再是平滑、可预测的波，而是一种“挤压”（squeezed）状态的光，或者说处于叠加态，意味着它同时持有多种可能性。
至关重要的是，团队发现一种颜色光中的这种非经典行为可以带动另一种颜色，从而在它们之间建立起深层的量子纽带。在他们的模拟中，他们专注于原子产生的两种特定颜色：第三谐波和第五谐波。当条件允许第五谐波以非经典状态产生时，它起到了催化剂的作用。第五谐波的存在帮助产生了第三谐波，使得两者变得密不可分。研究人员展示了，如果测量第三谐波，其结果将立即取决于第五谐波的状态，尽管它们是不同的颜色。这种联系不仅仅是一个理论上的可能性；他们的计算表明，控制经典光的统计规则被打破了，证明了真正的量子相关性已经形成。
这种联系的强度被发现对驱动激光的精确强度和光的特定频率极其敏感。研究人员绘制了随着他们微调这些变量，纠缠是如何变化的图谱，发现最强的联系恰好出现在原子经历这些多光子共振的时候。他们还注意到，虽然标准的量子相关性测试在这些共振附近显示出明显的违反经典极限的情况，但其他的纠缠度量在标准测试失效时依然保持强劲。这表明，谐波之间的量子纽带是稳健的，即使在条件并非完美调谐的情况下依然存在。这项工作表明，通过使用一个相对简单的“盒子中的原子”模型，科学家可以追踪这些复杂量子效应的起源，追溯到光与物质之间基础性的相互作用，揭示出一种颜色光所投下的量子态阴影是如何塑造另一种光的现实的。
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