上世纪50年代，当物理学家们竞相发明第一台激光器时，他们发现量子力学规则限制了光的颜色纯度。从那时起，物理学家和工程师就一直在制造激光器时考虑到这些限制。但是来自两个独立的物理学家小组的新理论研究表明，大自然比以前想象的更松懈。这些发现可能会导致改进的单色激光器用于量子计算等应用，研究人员在两个拟议的激光器设计中进行了说明。
澳大利亚格里菲斯大学的物理学家霍华德·怀斯曼（Howard Wiseman）说，这项研究“推翻了60年来人们对激光极限的理解”，他的研究小组去年10月在《自然物理学》上发表了他们的研究成果。
从本质上讲，激光是一种光的扩音器。这个词本身，最初是一个缩写词，反映了这一功能：“通过受激辐射的光放大。”发送正确频率的光子，然后激光器复制它，使原始信号倍增。
这些光子克隆体彼此同步地离开激光器，按照专家的说法“同相”运行。你可以这样想：每一个光子都是一个波，它的波峰和波谷与它的相邻光子排成一行，在激光中步调一致地前进。这与大多数其他光源形成对比，比如你的阅读灯，甚至太阳，它们都发射随机分散的光子。
光子保持同步的时间越长，光的单色性就越强。光源的颜色与其光子的波长相对应，例如，绿光的范围大约为500到550纳米。要使多个光子长时间保持同步，它们的波长必须非常精确地排列，这意味着光子必须尽可能接近一种颜色。
这种激光光子的同步性，即所谓的时间相干性，是这种装置最有用的特性之一。许多技术都利用了激光惊人的快速和稳定的节奏，它的波形在可见光激光器中以每秒数百万亿次的速度重复。例如，这种特性支持世界上最精确的计时设备，即光晶格钟。
但是光子在离开激光器后会逐渐失去同步；它们在一起的时间被称为激光器的相干时间。1958年，物理学家阿瑟·肖洛和查尔斯·汤斯估算了完美激光的相干时间。（这是物理学家的一个常见设计策略：在构建一个更缺乏真实世界设备之前，先考虑最理想的版本。）他们发现了一个被认为代表激光最终相干时限的方程，由物理定律设定。物理学家称之为Schawlow-Townes极限。
这两篇新论文发现Schawlow-Townes极限并不是终极极限。匹兹堡大学的物理学家戴维·派克（DavidPekker）领导了另一个小组，他说：“原则上，应该可以制造出更加相干的激光器。”他们的论文目前正在接受同行评审，作为预印本发布在arXiv上。
两个小组都认为，Schawlow-Townes极限是建立在对激光的假设上的，而这些假设已经不成立了。Schawlow-Townes基本上将激光看作是一个中空的盒子，在这个盒子里，光子以与盒子里的光量成比例的速率倍增和离开。换句话说，光子从Schawlow-Townes的激光中流出，就像水从桶中的孔中流出一样。桶里的水越满，水流越快，反之亦然。
但是怀斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）都发现，如果你在激光器上设置一个阀门来控制光子流的速率，你实际上可以使激光器的相干时间比Schawlow-Townes极限长得多。怀斯曼的论文更进一步。考虑到这些光子控制阀，他的团队重新估计了完美激光器的相干时间限制。怀斯曼说：“我们证明了我们的极限是最终的量子极限，这意味着真正的物理极限是由量子力学决定的。
怀斯曼说，Schawlow和派克（Pekker）的估计虽然不是物理学家最初认为的对激光的基本限制，但在当时是合理的。没有人能像怀斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）提出的那样精确地控制激光的光流。但今天的激光是另一回事，物理学家现在可以用为新兴的量子计算产业开发的多种设备来控制光。
派克（Pekker）与同样来自匹兹堡大学的物理学家迈克尔·哈特里奇（MichaelHatridge）合作，将新的激光设计付诸实践。哈特里奇的专长包括用超导导线构建电路，用于储存和控制微波频率光子。他们计划制造一种微波发射激光器，称为微波激射器，用于在超导电路制成的量子计算机中编程量子比特。虽然建造这种新的微波激射器需要多年的工作和故障排除，但哈特里奇说他们拥有使之成为可能的所有工具和知识。“这就是为什么我们对它感到兴奋，因为它只是另一个工程项目，”哈特里奇说。
怀斯曼正在寻找合作者来构建他的设计，也是一个微波激射器。他说：“我真的非常希望这样，但我认识到这是一个长期目标。”
新加坡国立大学的物理学家史蒂文·图扎德（steventouzard）说，这些设计“完全可行”，他没有参与任何一篇新论文。然而，据图扎德说，怀斯曼（Wiseman）和派克（Pekker）的工作可能不会直接产生有用的商业激光器。他指出，激光器的制造商通常不使用Schawlow-Townes极限来指导他们的设计。因此，推翻这一限制可能更像是理论上的进步，而不是工程上的进步。
奇怪的是，这两种新设计还与另一种关于激光的传统观点相矛盾。这些装置不会通过所谓的受激发射产生光，而受激发射又构成了激光的首字母缩写“s”和“e”。受激发射是光与物质之间的一种相互作用，其中光子撞击原子并“刺激”原子发射相同的光子。如果我们把激光想象成一个光盒，像以前一样，一个用受激发射放大光的激光，将信号与光盒中已有的光量成比例地相乘。据图扎德介绍，2012年发明的另一种激光器被称为超辐射激光器，也不使用受激发射来放大光线。
激光的概念已经过时了。它不再仅仅是“受激辐射的光放大”。
当然，英语中也有许多这样的例子。根据俄亥俄州立大学的语言学家米恰·埃尔斯纳（MichaElsner）的说法，这种意义上的变化被称为语义转移，在“涉及新技术的任何地方”都很常见。“船只仍然在大洋彼岸航行，即使没有真正的帆参与其中。”埃尔斯纳在一封电子邮件中说，“即使你的手机没有拨号，你仍然可以拨别人的号码。”
俄亥俄州立大学的语言学家布莱恩·约瑟夫在一封电子邮件中说：“尽管一个词的词源和起源确实为它提供了一个起点，但它并不能永远决定它的命运。”
随着冷战目标过渡到21世纪的目标，激光也随之发展。它们已经存在了很长时间，可以融入现代生活的几乎所有方面：它们可以纠正人类的视力，读取杂货店的条形码，蚀刻计算机芯片，传输来自月球的视频文件，帮助驾驶自动驾驶汽车，并使人的心情变得迷幻。现在，激光又可以重新发明了。拥有60年历史的设备仍然是科幻未来的象征。
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