虚无中的光子对撞：量子模拟实验从真空中生成光

• 结果已发表于《通讯-物理学》(Communications Physics)。

通过先进的计算机建模技术，由牛津大学领导、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——该状态曾被假定为空无一物，但量子物理学预测其充满了虚拟电子-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——真空四波混频。该理论指出，三束聚焦激光脉冲的叠加电磁场可使真空中的虚拟电子-正电子对极化，导致光子如同台球般相互碰撞，在"黑暗中生光"的过程中产生第四束激光。此类事件有望成为在超高强度下探索新物理的探针。

"这不只是学术奇观，更是迈向实验证实量子效应的重大突破，这些效应至今主要存在于理论层面。"牛津大学物理系研究合著者彼得·诺里斯教授表示。

此项研究恰逢新一代超强激光装置陆续启用。英国的Vulcan 20-20、欧洲"极端光基础设施"(ELI)项目、中国的"极端光科学装置"(SEL)与SHINE设施，均将提供足以在实验室首次验证光子-光子散射的功率水平。光子-光子散射已被选定为美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光装置的三大旗舰实验之一。

模拟使用了OSIRIS软件的升级版本进行，该模拟软件包专为建模激光束与物质或等离子体的相互作用而设计。

牛津大学物理系博士研究生、第一作者张子欣（Lily）表示："我们的程序提供了时间分辨的3D窗口，揭示了此前无法观测的量子真空相互作用。通过将该模型应用于三束激光散射实验，我们成功捕获了完整的量子特征谱，并获得了相互作用区域与关键时间尺度的详细洞察。经过全面基准测试后，我们现可转向更复杂的前沿场景——包括特殊激光束结构与飞行聚焦脉冲。"

至关重要的是，这些模型提供了实验设计精确实测所需的细节，涵盖真实的激光形态与脉冲时序。模拟还揭示了新发现：包括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，还可能助力搜寻轴子及毫电荷粒子等假想粒子——这些均是暗物质的候选粒子。

研究合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本大学高等理工学院/牛津大学物理系客座教授）补充道："OSIRIS中运行的新型计算方法将为顶级激光设施的一系列规划实验提供强大支持。超强激光器、尖端探测技术、前沿分析与数值建模的结合，正奠定激光-物质相互作用新纪元的基石，这必将为基础物理学开辟全新视野。"