虚空中的光子碰撞：量子模拟实现光凭空创生

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

通过先进的计算机建模，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。量子真空曾被认为空无一物，但量子物理学预测其充满虚拟电子-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奇特现象——真空四波混频。该现象指出：三束聚焦激光脉冲的合成电磁场可使真空中的虚拟电子-正电子对极化，导致光子像台球般相互碰撞——通过"黑暗中产生光"的机制形成第四束激光。这些事件有望成为极端高强度条件下探索新物理的探针。

"这不仅是学术探索——更是迈向实验验证量子效应的重大进展，此前这些效应主要停留在理论层面，"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"火神20-20"、欧洲"极端光基础设施"(ELI)项目、中国"极端强光站"(SEL)与"硬X射线自由电子激光装置"(SHINE)等设施即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-光子散射已被选为美国罗切斯特大学OPAL双光束25拍瓦激光装置的三大旗舰实验之一。

模拟采用升级版OSIRIS软件包完成，该套件可模拟激光束与物质或等离子体的相互作用。

论文第一作者、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三维视角，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光束散射实验，我们成功捕获了完整的量子特征信号，并获得了相互作用区域及关键时间尺度的详细数据。在完成模拟基准测试后，我们现在可转向更复杂的前沿探索——包括奇异激光束结构和飞焦点脉冲。"

关键在于，这些模型提供了实验设计所需的精确现实测试参数，包含真实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，该工具不仅能协助规划未来高能激光实验，还有助于搜寻轴子及毫电荷粒子等暗物质候选粒子的踪迹。

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："我们在OSIRIS中实现的新型计算方法将为先进激光设施的一系列规划实验提供强大支持。超强激光器、尖端探测器与前沿分析数值模型的结合，奠定了激光-物质相互作用新时代的基础，这将为基础物理学开辟全新视野。"