在实验中将真空涨落与源辐射分离

空无中的神秘能量

空无并非真正空无。根据量子物理，空中充斥着微小且不断变化的电场和磁场，这些被称为真空涨落的微动帮助解释原子与光中的微妙效应，但直到现在它们一直与来自真实粒子和光源的普通辐射纠缠在一起、无法分辨。本文报道了首个能清晰区分量子世界中这两种成分的实验，将一个长期存在的思想实验变为桌面级的现实。

把思想实验变成可检验的试验

近一个世纪前，物理学家恩里科·费米设想了两个原子突然被允许与空无的电磁场相互作用。随着时间推移，原子会通过两种途径变得相关：一是利用无处不在的真空涨落，二是通过在它们之间交换一个实际的光子——称为源辐射。理论表明两种过程都很重要，但长期被认为无法将它们分开。新的工作用两个超短激光脉冲取代了费米的原子，并让它们在一种对电场有响应的特殊晶体中进行相同的“游戏”。这种全光学版本允许在脉冲进入和离开材料时以极其精确的时序打开或关闭相互作用。

用光脉冲作为量子探针

在实验中，两个近红外激光脉冲并行通过冷却到接近绝对零度数度的碲化锌晶体，以去除普通的热辐射。当每个脉冲经过时，它通过非线性光学效应短暂耦合到远低得多的太赫兹频率的电磁场模态。这会将脉冲的偏振——其电场振动的方向——改变极小的量。高度灵敏的探测器随后读取每个脉冲的这些偏振变化，使研究者能够寻找脉冲间的关联，从而分辨出真空和源辐射的影响。

挑出两种量子噪声

关键手法在于真空涨落和源辐射扰动光场的不同“正交分量”（quadratures），大致类似于在荡秋千周期的四分之一时刻推一下与同相推的区别。通过在每个探测器前加入不同的延迟片，团队可以选择观察每个脉冲的哪一正交分量。当两条检测臂都调谐到相同的、不同步（即相位差出的）正交分量时，它们能在两脉冲时间重叠时立即检测到相关性，揭示出被两者共享的真空涨落印记。当一个探测器被调为同相而另一个为不同相时，会出现新的、滞后的相关性：先到的脉冲先激发出源辐射，这些源辐射随后在晶体中传播，仅在经过光传播时间后被第二个脉冲捕获。这种不对称的时序模式编码了源辐射的因果性，即“事后产生”的特征。

检验一条基本的量子定律

通过不仅在时间域而且在频域研究这些相关性，作者们表明这两种信号正如量子版本的涨落—耗散定理所预测的那样精确相连——这一深刻原理将随机噪声与系统响应联系起来。由真空引起的信号和由源辐射引起的信号如复波的实部与虚部相对应，彼此相差四分之一周期。尽管由于诸如晶体中光束间精确间距等实验细节引起了小的偏移，测量结果与详细的理论计算非常吻合，确认了这两种贡献是物理上有意义的，而不仅仅是数学记账的伪象。

这对未来量子技术的重要性

能够分别测量真空涨落和源辐射不仅仅解决了一个概念性争论。它为实验室中可随时间变化甚至弯曲的“时空”中量子场的研究打开了新窗口。因为该方法原则上可在温暖背景下从单个太赫兹光子中挑出关联，它可能有助于探测诸如动态卡西米尔效应（移动边界从真空中产生光）或“纠缠收割”（分离的探测器从空无中提取量子联系）等奇异效应。用日常话来说，这项研究表明我们现在不仅可以感知真空的躁动活动，还可以逐步观测它如何转变为真实的辐射。

引用: Herter, A., Lindel, F., Gabriel, L. et al. Experimentally separating vacuum fluctuations from source radiation. Nat Commun 17, 2863 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69142-4

关键词: 量子真空, 电光取样, 太赫兹辐射, 真空涨落, 量子关联