来源：Tampere University
图：概念图，显示结构激光束（洋红色）与聚焦在单模光纤上的双光子量子态之间的差异。来源：Markus Hiekkamäki, Tampere University
光学，即对光的研究，是物理学中最古老的领域之一，这个领域中从来没有停止过让研究人员感到惊讶的成果。作为一些光学效应的物理本质，光作为波现象的经典描述很少受到质疑。Tampere University的研究人员围绕聚焦光波异常行为，将关于一种基波效应的讨论，带入了量子领域。
研究人员已经能够证明，量子波的行为与经典波有显著不同，可以用来提高距离测量的精度。他们的发现也增加了对异常聚焦行为的物理本质的讨论。结果现在发表在《Nature Photonics》上。
“有趣的是，我们从一个基于我们早期结果的想法开始，并开始构建量子光以提高测量精度。然而，我们随后意识到，这种应用的潜在物理原理也促成了关于聚焦光场古伊相异常起源的长时间争论，” 研究组长Robert Fickler解释道。
量子波的行为不同，但指向同一根源
在过去的几十年里，在单光子水平上构建光场的方法已经非常成熟，并导致了许多新的发现。并积累了理论基础。然而，为什么光在经过焦点时会有如此异常的表现方式，即所谓的古伊相异常，其物理本质仍然存在争议。尽管它在光学系统中有着广泛的用途和重要性。这项研究的新颖之处在于将这种效应引入量子领域。
“当通过进一步研究理论来描述我们的实验结果时，我们意识到量子光的古伊相不仅与标准相不同，而且它的本质可以与另一个量子效应联系起来。这就像在早期工作中推测的一样，”主要作者Markus Hiekkamäki补充道。
在量子领域，与经典光相比，反常行为加快了。由于古伊相位行为可用于确定光束传播的距离，量子古伊相位的加速可提高测量距离的精度。
有了这一新的认识，研究人员正计划开发新的技术来提高他们的测量能力，以便能够测量更复杂的结构光子束。该团队期望这将有助于他们推进所观察到的效应的应用，并有可能揭示量子光场和经典光场之间的更多差异。
[1] Markus Hiekkamäki et al, Observation of the quantum Gouy phase, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01077-w
