导读

近日，来自剑桥大学卡文迪许实验室/苏黎世联邦理工学院的Dmitry A. Zimin与合作者提出并实验验证了一种基于广义外差光学采样技术（GHOST）平衡通道的新型场镜技术，核心突破可概括为三个“首次”：

1、首次无需载波包络相位（CEP）稳定脉冲：仅用商用桌面级锁模激光器，实现与复杂CEP稳定装置完全等效的电场测量精度。2、首次进入单光子量子区域：将电场测量灵敏度推至876幺焦耳（10^-24 J）级别，对应平均光子数低至0.0165（即99.55%的脉冲处于真空态，0.45%的脉冲中99.78%为单光子态）。3、首次实现亚周期分辨率的脉冲内相干性测量：揭示了锁模激光脉冲中“强度越高、相干性越低”的动态规律，突破传统时间平均光谱学的局限。

实验数据显示，该技术动态范围超过90分贝（测试脉冲能量覆盖1.24皮焦耳到876幺焦耳，跨度达10⁹倍），时间分辨率达阿秒级（对应亚光学周期尺度），为量子信息、量子计量和超快光-物质相互作用研究提供了全新工具。

该研究成果以“Fieldoscopy at the quantum limit”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。论文第一作者和通讯作者为Dmitry A. Zimin，其它作者还包括Arjun Ashoka（剑桥大学卡文迪许实验室），Florentin Reiter（苏黎世联邦理工学院），Akshay Rao（剑桥大学卡文迪许实验室）。

研究背景

1、光相干性的科学价值。光的相干性描述光子在时空维度的波动关联，是区分激光与普通光源的核心特征，支撑了从基础物理（如波粒二象性验证）到应用技术（如光学相干断层扫描OCT、精密原子钟）的众多领域。传统相干性测量依赖时间平均技术，无法捕捉脉冲内部的动态变化。

2、传统场镜技术的瓶颈。此前的超快场镜技术（如电光采样）存在三大局限：1）依赖复杂CEP稳定装置：需生成亚3飞秒的少周期脉冲，设备成本高、稳定性差；2）灵敏度受限：非线性相互作用阈值高，无法进入单光子量子区域；3）无法测量脉冲内相干性：时间平均测量掩盖了脉冲不同区域的相干性差异。这些瓶颈导致量子尺度的相干性动态研究长期处于空白状态。

研究目标

本文设定了三个递进式科学目标，均通过实验精准达成：1、技术突破：开发无需CEP稳定脉冲的高灵敏度电场测量方案，实现桌面化装置的普及性应用；2、物理验证：在实验上观测经典电磁理论到量子光学的转变，明确单光子区域的电场测量规律；3、应用拓展：实现亚周期分辨率的脉冲内相干性测量，揭示锁模激光的动态退相干机制。

主要研究内容

图1展示了基于广义外差光学采样技术（GHOST）的实验核心设计与基准验证结果。图1a是实验装置的示意图，通过线栅偏振器分离采样脉冲与测试脉冲，利用时间延迟τ控制两者的相对时序，在非线性晶体中发生相互作用后，经带通滤波器提取非线性生成的脉冲，最终由光电二极管探测。为验证平衡通道（m=n）无需载波包络相位（CEP）稳定的独特优势，研究团队开展了对比实验：图1b显示CEP稳定与不稳定脉冲的GHOST测量信号完全重合，证明平衡通道可有效抵消CEP波动的影响；对应的傅里叶变换频谱（图1c）也显示两种情况下的频率内容高度一致，进一步确认了技术的可靠性。此外，图1d展示了测试脉冲通过三种不同厚度玻璃后的GHOST轨迹，信号的明显偏移表明该技术对测试脉冲的CEP变化具有极高灵敏度，这是实现高精度电场测量的关键特性。

图1：实验装置与基准测试结果。

图2聚焦于经典强相干态的电场测量研究，验证了技术在经典区域的有效性。图2a呈现了不同能量测试脉冲的电场测量结果，测试脉冲能量从1.24皮焦耳（对应平均光子数6.42×10⁶）到45.6飞焦耳（对应平均光子数2.364×10⁵），覆盖了经典相干态的典型范围；图2b放大展示了平均光子数为6.42×10⁶的脉冲中心区域，清晰的电场振荡体现了测量的高保真度。图2c将傅里叶变换得到的光谱与光栅光谱仪的结果对比，两者高度吻合，验证了测量的准确性。进一步量化分析显示，测量信号与测试脉冲的电场强度呈严格线性关系（图2d），符合经典电磁理论的预测；而测量的标准差也随测试电场强度线性增加（图2e），这表明在经典相干态区域，实验稳定性带来的经典噪声是测量误差的主要来源，量子噪声的影响可忽略不计。图2f则展示了信号随采样脉冲电场强度的变化规律，为技术的参数优化提供了实验依据。

图2：强（经典）相干态的电场测量。

图3揭示了弱相干态测量中经典电磁理论的失效与量子效应的主导作用。图3a是不同能量弱相干态的电场测量轨迹，测试脉冲能量从845幺焦耳（平均光子数4.38）到108幺焦耳（平均光子数0.55），进入了量子效应显著的区域。通过将平均信号和标准差分别除以测试电场强度（图3b、c），研究团队观测到明显偏离经典线性关系的现象：当平均光子数接近1时，信号的非线性变化和标准差的异常趋势清晰显现，标志着经典电磁理论的失效，量子噪声开始主导测量结果。为解释这一现象，研究团队对比了泊松分布（理想相干态）和玻色-爱因斯坦分布（热态）的光子统计规律（图3d、e），发现实验数据介于两种分布之间，说明激光脉冲并非理想的相干态，而是存在部分退相干，混入了热态成分。

图3：弱（量子）相干态的经典-量子转变。

图4深入解析了锁模激光脉冲内部的相干性动态差异。图4a展示了平均光子数为4.38的弱相干态电场轨迹，以及用于局域分析的三个高斯窗口，分别对应脉冲的前沿、中心和后沿区域。通过对不同区域的信号和标准差进行归一化分析（图4b、c），研究团队发现脉冲不同区域的光子统计特性存在显著差异：低强度的前沿和后沿区域，标准差在平均光子数接近1时出现明显峰值，符合理想相干态的泊松分布特征；而高强度的中心区域，这一峰值消失，更接近热态的玻色-爱因斯坦分布。对应的模拟结果（图4d、e）进一步验证了这一结论，模拟中通过混合泊松和玻色-爱因斯坦分布，成功复现了实验观测到的趋势，表明脉冲内的相干性随强度变化，高强度区域存在强度依赖的退相干过程，混入了更多热态成分，导致相干性降低。

图4：脉冲内相干性的动态变化分析。

主要创新点

1、技术创新：桌面化量子尺度电场测量。1）无需CEP稳定：突破了传统技术对复杂装置的依赖，仅用商用桌面激光器即可实现高精度测量；2）超高灵敏度：达到876幺焦耳的平均脉冲能量灵敏度，对应每个光学周期仅20幺焦耳的能量；3）超大动态范围：超过90分贝的动态范围，覆盖从单光子到百万光子的广阔区间。

2、物理创新：经典-量子转变的直接观测。1）实验验证量子噪声主导区域：当平均光子数<1时，信号与标准差偏离经典线性关系，首次在电场测量中直接观测到量子效应；2）揭示脉冲内动态退相干：发现锁模激光脉冲中高强度区域的相干性降低，存在强度依赖的热态混入机制。

3、应用创新：量子光学研究的新工具。1）拓展量子信息研究：可用于单光子态、纠缠态的电场测量，支撑量子密码和量子计算的基础研究；2）推动量子计量发展：亚周期分辨率的电场测量为精密时间频率标准提供了新的校准手段。

总结与展望

1、总结：本文成功实现了三大突破：1）开发了无需CEP稳定脉冲的桌面化电场测量技术，灵敏度达10^-24焦耳级别；2）在实验上观测到经典电磁理论到量子光学的转变，明确了单光子区域的测量规律；3）首次实现亚周期分辨率的脉冲内相干性测量，揭示了锁模激光的动态退相干机制。这些成果将量子光学与超快科学的研究边界推进到单光子尺度的亚周期区域，为相关领域的发展提供了关键实验工具。

2、展望：基于本文的技术基础，未来可开展三大方向的研究：1）非经典态测量：将技术拓展到纠缠光子、压缩真空等非经典态的电场测量，深入研究量子退相干机制；2）应用场景拓展：开发生物分子的超快电场响应测量，推动医学诊断和材料科学的发展；3）装置小型化：进一步优化非线性晶体和探测系统，实现芯片级的量子电场测量装置。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02066-8