光子于虚空中碰撞：量子模拟实现从无到有的光创生

• 研究结果已发表于《通讯-物理学》期刊。

牛津大学研究团队与里斯本大学高等理工学院合作，通过先进的计算建模技术，首次实现了强激光束改变"量子真空"的三维实时模拟。量子真空曾被认为空无一物，但量子物理学预言其中充满虚电子-正电子对。

令人振奋的是，这些模拟再现了量子物理预言的奇异现象——真空四波混频。该理论指出，三束聚焦激光脉冲的复合电磁场可使真空中的虚电子-正电子对极化，导致光子像台球般相互碰撞，在"无中生有"过程中产生第四束激光。这种现象可作为极端高强度条件下探索新物理的探针。

"这不仅是学术奇观，更是向实验验证量子效应迈出的重要一步，这些效应至今大多停留在理论层面。"牛津大学物理系合著者彼得·诺里斯教授表示。

该研究恰逢新一代超强激光装置陆续投入使用。英国"火神20-20"、欧洲"极端光基础设施"(ELI)项目、中国"极端强光站"(SEL)和SHINE设施等，都将提供足以在实验室首次验证光子-光子散射的功率水平。美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光装置已将该实验列为三大旗舰项目之一。

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模拟采用升级版OSIRIS软件完成，该套件专门模拟激光束与物质/等离子体的相互作用。

第一作者、牛津物理系博士生张子欣(莉莉)表示："我们的程序首次实现了量子真空相互作用的3D动态观测。通过三束光散射实验模型，我们捕获了完整的量子特征谱，并获得了作用区域和关键时间尺度的精细信息。完成基准测试后，我们将探索更复杂的场景——包括奇异激光束结构和飞秒聚焦脉冲。"

这些模型为实验设计提供了关键参数，包括实际激光形态和脉冲时序。模拟还揭示了新发现：如相互作用的实时演化过程，以及光束几何结构的细微不对称如何改变结果。

研究团队表示，该工具不仅能规划未来高能激光实验，还可用于搜寻轴子、毫电荷粒子等暗物质候选粒子。

合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本高等理工学院/牛津大学物理系客座教授）补充："OSIRIS搭载的新算法将为顶级激光设施的多项实验提供支持。超强激光、尖端探测与前沿数值模型的结合，正开启激光-物质相互作用的新纪元，为基础物理开拓新疆域。"