光子于虚空中碰撞：量子模拟实现凭空创造光

• 研究结果已发表在《通讯-物理学》(Communications Physics)期刊上。

通过先进的计算建模，由牛津大学主导、并与里斯本大学高等理工学院合作的研究团队，首次实现了对强激光束如何改变"量子真空"的实时三维模拟——该状态曾被认为空无一物，但量子物理学预测其充满虚电子-正电子对。

令人振奋的是，这些模拟重现了量子物理学预测的一种奇异现象，称为真空四波混频。该现象指出，三束聚焦激光脉冲的叠加电磁场可使真空中的虚电子-正电子对发生极化，导致光子像台球般相互碰撞——在"无中生光"过程中产生第四束激光。这些事件可作为极高强度下新物理的探针。

"这不仅具有学术意义——更是向实验证实量子效应迈出的重大一步，这些效应此前主要停留在理论层面，"研究合著者、牛津大学物理系彼得·诺里斯教授表示。

该研究恰逢新一代超强激光装置陆续启用。英国"武尔坎20-20"、欧洲"极端光基础设施"(ELI)项目、中国"超强激光站"(SEL)和"上海高重频极光装置"(SHINE)等设施即将提供足够高的功率水平，有望首次在实验室中证实光子-光子散射现象。光子-光子散射已被选为美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光装置的三个旗舰实验之一。

模拟使用升级版OSIRIS软件包完成，该套件专门模拟激光束与物质或等离子体的相互作用。

第一作者、牛津大学物理系博士生张子欣（Lily Zhang）表示："我们的程序提供了时间分辨的3D窗口，得以观测先前无法企及的量子真空相互作用。通过将模型应用于三束激光散射实验，我们捕获了完整的量子特征谱，并获得了相互作用区域和关键时间尺度的详细洞察。在彻底完成模拟基准测试后，我们现在可转向更复杂的前沿情景——包括奇异激光束结构和飞行焦点脉冲。"

关键在于，这些模型提供了实验设计所需的精确细节，包括真实的激光形态和脉冲时序。模拟还揭示了新发现：例如相互作用如何实时演化，以及光束几何结构的微妙不对称性如何改变结果。

据团队称，该工具不仅有助于规划未来高能激光实验，还可协助搜寻轴子和毫电荷粒子等假想粒子——这些粒子是暗物质的潜在候选者。

研究合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本大学高等理工学院教授，兼任牛津大学物理系客座教授）补充道："我们基于OSIRIS开发的新型计算方法将为各大先进激光设施规划中的广泛实验提供强大支持。超强激光器、尖端探测技术、前沿分析与数值建模的结合，奠定了激光-物质相互作用新纪元的基石，必将为基础物理学开辟全新视野。"