一个国际研究团队近日实现了一项突破，成功首次实时捕获并控制了量子不确定性，这一成就从根本上挑战了量子力学领域百年来的传统假设。这项里程碑式的研究于10月3日发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）期刊上，其成果表明维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）的不确定性原理并非一个静态的限制，而是一个动态的、可调控的属性，能够以前所未有的精度进行操纵。
这项研究由亚利桑那大学的穆罕默德·T·哈桑（Dr. Mohammed Th. Hassan）博士领导，并与来自西班牙ICFO和德国慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-Universität München）的合作者共同完成。研究团队通过先进的非线性四波混频过程，成功生成了有史以来最短的超快压缩光脉冲，其频率范围覆盖0.33至0.73拍赫兹。这些持续时间仅为万亿分之一秒的阿秒级脉冲，使得研究人员首次得以直接观察量子不确定性在时间演化中的动态过程。
量子特性操控的革命性突破
此次突破的核心在于“压缩光”——一种量子态，其中不确定性在互补属性之间重新分布，而非被消除。正如哈桑博士向亚利桑那大学新闻解释的那样：“普通光就像一个圆形气球，其测量中的不确定性均匀分布；而压缩光（也称量子光）则像被拉伸的椭圆形，一个属性变得更安静、更精确，而另一个则变得更嘈杂。”
研究团队展示了前所未有的控制能力，可以在其生成的脉冲中切换振幅压缩和相位压缩，揭示了量子不确定性并非固定不变，而是动态波动和演化的。这一能力使得研究人员能够按需调整量子噪声特性，为精密测量和量子技术开辟了新的可能性。
通过使用配置了三个不同光谱通道的复杂光场合成器，研究人员将工程波形分解为参考光束和压缩光束，并将后者引导通过二氧化硅，在其中通过四波混频生成了量子增强脉冲。他们的实验设置不仅实现了低于标准量子极限的压缩，还保持了阿秒级的时间分辨率。
对安全通信的深远影响
除了在基础物理学方面的意义，这项研究还在量子密码学方面带来了实际应用。研究团队展示了一种新颖的拍赫兹级加密协议，该协议将信息直接嵌入到量子不确定性波动中，从而创建了多层防窃听安全保护。这种方法利用动态不确定性作为一种内在的保护机制，有望实现具有前所未有比特率和安全保障的通信网络。
哈桑博士指出：“如果有人截获了用量子光发送的数据，网络会立即检测到入侵，但入侵者仍可能通过解码密钥获取部分信息。而该研究团队的方法则要求窃听者不仅会干扰量子态，还必须同时掌握密钥和精确的脉冲振幅。”
这项突破为超快量子光学奠定了基础，并有望加速量子传感器、以阿秒速度运行的下一代量子计算机以及利用量子力学基本特性来增强性能的安全通信系统的发展。
