三维时空锁模机制的深度理论和方法！有量子的特征？

激光技术是将光限制在有增益介质的谐振器内。（什么是增益介质呢？增益介质是一种具有量子属性的材料，可以发大光）谐振器通常远大于光的波长，其腔内的激光可能以多种模式出现。在过去的物理研究中已经发现可能出现的激光图案（这种图案即是一种模式或模式的组合），图案之间会彼此竞争能量，然后激光器会选择能量损失最小的图案。这种选择过程可以简单的与达尔文进化论中的自然选择学说所作一个类比。自然选择学说中，物种可以很好地适应环境的往往会存活下来并延续后代，简单的来讲就是“适者生存”。与此类似的是，能够充分地利用激光模式最终会取代其他的模式。

激光发明不久后，科学家们就发现，这种模式之间可以通过一种方式来控制，然后使这项技术产生极小的脉冲，科学家们就把这种现象成为“锁模”，这种现象会同步激光的许多模式一起振荡，形成几飞秒的脉冲。当设计者在激光器腔内植入一种元件，会更加有效的利用能量的激光图案，并转变为最大化激光电场峰值强度的图案，这时就会发生“锁模”现象。在没有引入新的元件之前，这种图案是其中多个模式与同步相位同时激光的图案。

自从“锁模”被发现以来，已经在许多设备上得到了应用，包括高场光学和频率梳。到现为止，这种同步现象总是被描述为光在单一维度上的自组织，也就是时间的自组织。除此之外，也可以理解为在地理层面上是一种三维现象，在时间和空间都表现出来。

康奈尔大学的研究人员和一组外部合作者合作，引入了一种理论方法，可以帮助更好的理解3D时空模式锁定，研究结果发表在《自然物理》刊期上，其研究结果建立在研究人员之一的洛根.G.赖特博士的观察结果之上，他发现模式锁定可以发生在具有许多复杂模式的“坏”激光腔中，而不仅仅是发生在非常受限的激光器设计中才能发生。赖特博士观察的这种锁模模式是“时空锁模”，他的研究发现让许多研究人员感到惊讶，因为这与之前的研究相比而言，之前的研究太过于粗略。赖特博士的研究从实质上揭示了激光物理学可能要比其他的物理学家预期的要有“意思”多。

这项研究提出了一种新理论方法“吸引子解析器”，这个理论可以更好的理解之前研究的时空的锁模现象是如何在激光模式下进行的“达尔文选择”的。通过收集详细测量并验证他们的理论后，研究人员表明，时空锁模现象实现相当复杂的光图案，通常可以和模式选择的压力及有效的利用能源的需求相协调。简单的说，就是在研究过程中，对激光进行了严格的数学描述，将复杂的研究数学问题进行了优化处理。在这些情况下，证明了激光器似乎在努力的实现能源效率的最大化。

该研究提出的理论，为在时空锁模中观察到的每一种不同的3D脉冲提供了模型，从而反过来帮助识别导致它们形成和稳定腔内效应。研究收集的发现和之前对模式锁定的理解一致，并且认为这种现象可能比最初认为的更具有创造性和复杂性。

激光在推动测量和实验前沿方面发挥了极其重要的作用，在物理学和化学领域，大多数诺贝尔奖都依赖于一种测量或实验技术，这种技术是由特定激光能力促成的。因此，虽然我们对此了解的不会太具体，但是为人类发现的新激光能力会为科学（或工业）应用带来巨大的好处。其理论还可以改善目前对复杂物理如何等同于自然优化的理解，有可能为新的优化和人工智能算法设计提供指导。

在物理和信息学的实验室的NTT研究中心，研究人员现在正在努力了解自然物理系统是如何计算的，以及我们如何利用这些计算。在这个目标范围内，多模激光器解决复杂优化问题的能力，使其成为主要的实验系统，研究正在致力于设计相关的光学机器，利用这种能力进行模拟并进行复杂的组合问题。目前看来，最关注的一个重要步骤是：试图理解量子效应对自然计算可能起到的作用？

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参考刊期《自然物理》