激光技術(shù)將光限制在含有增益介質(zhì)的諧振器內(nèi)，增益介質(zhì)是一種具有量子屬性的材料，可以放大光。由于激光諧振器通常遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)，其腔內(nèi)的激光可能會(huì)以多種模式出現(xiàn)，這就是我們所知的模式。

過(guò)去的物理研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可能的激光圖案（即，模式或模式的組合）彼此競(jìng)爭(zhēng)能量，然后激光器選擇能量損失最小的圖案。這個(gè)“選擇過(guò)程”可以簡(jiǎn)單地與達(dá)爾文進(jìn)化論中描述的自然選擇相提并論。

在自然選擇理論中，物種中適應(yīng)環(huán)境最好的成員往往會(huì)存活下來(lái)，并產(chǎn)生更多的后代。類(lèi)似地，充分利用能量資源的激光模式(即模式)最終會(huì)主宰其他模式。激光發(fā)明后不久，物理學(xué)家們開(kāi)始意識(shí)到，模式之間的這種“競(jìng)爭(zhēng)”可以通過(guò)一種方式來(lái)控制，使這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生非常短的脈沖，這種現(xiàn)象現(xiàn)在被稱(chēng)為鎖模。這種同步現(xiàn)象涉及激光的許多模式一起振蕩，形成幾飛秒（10^-15ss）的脈沖。

當(dāng)激光器設(shè)計(jì)者在激光器的腔體中引入一種元件，強(qiáng)制更有效地利用能量的激光圖案，轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲蠡す怆妶?chǎng)峰值強(qiáng)度的圖案時(shí)，就會(huì)發(fā)生鎖模。該圖案原來(lái)是其中多個(gè)模式與同步相位同時(shí)激光的圖案。

自從它被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，鎖模已經(jīng)在許多設(shè)備中得到了應(yīng)用，包括高場(chǎng)光學(xué)和頻率梳。到目前為止，這種同步現(xiàn)象幾乎總是被描述為光在一個(gè)單一維度上的自組織，也就是時(shí)間的自組織。盡管如此，它也可以潛在地理解為一種三維現(xiàn)象，在時(shí)間和空間上都表現(xiàn)出來(lái)。

康奈爾大學(xué)研究人員與一組外部合作者合作，引入了一種理論方法，可以幫助更好地理解3-D時(shí)空模式鎖定，其研究理論發(fā)表在《自然物理》期刊上，研究建立在他們之前研究中收集的一系列觀察結(jié)果基礎(chǔ)上。

開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一洛根·G·賴(lài)特博士說(shuō)：2017年，我發(fā)現(xiàn)模式鎖定遠(yuǎn)比人們之前認(rèn)識(shí)到的要普遍得多。發(fā)現(xiàn)，即使在具有許多復(fù)雜模式的‘壞’激光腔中，鎖模也可能發(fā)生，而不是只有在非常受限的激光器設(shè)計(jì)中才可能發(fā)生。

這種一般的鎖模過(guò)程被稱(chēng)為時(shí)空鎖模，賴(lài)特博士對(duì)時(shí)空模式鎖定的觀察，讓物理學(xué)界的許多研究人員感到驚訝，因?yàn)樗砻髦瓣P(guān)于這一現(xiàn)象的大多數(shù)理論都過(guò)于簡(jiǎn)單化了。其研究實(shí)質(zhì)上揭示了激光物理學(xué)可能比大多數(shù)物理學(xué)家預(yù)期的要“有創(chuàng)意”得多。

在這項(xiàng)新研究中，想了解激光在尋找復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題解決方案方面的適應(yīng)性，以及是否有更普遍的方法來(lái)理解激光是如何解決這個(gè)問(wèn)題的。換句話說(shuō)，它仍然只是最大限度地利用能源，還是還有更多的事情在發(fā)生？

研究提出了一種名為“吸引子解析器”的新理論方法，這有助于更好地理解之前研究的時(shí)空鎖?，F(xiàn)象是如何導(dǎo)致在激光模式中進(jìn)行“達(dá)爾文式”選擇的。在通過(guò)收集詳細(xì)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證他們的理論后，研究人員表明，時(shí)空鎖模實(shí)現(xiàn)的相當(dāng)復(fù)雜光圖案，通?？梢耘c模式的選擇壓力及其有效利用能源的需求相協(xié)調(diào)。

簡(jiǎn)而言之，研究對(duì)激光器進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述，并將其視為激光器試圖解決的優(yōu)化問(wèn)題，一般情況下，這種數(shù)學(xué)描述復(fù)雜得離譜，但在極端情況下，但研究人員能夠?qū)?yōu)化問(wèn)題歸結(jié)為單個(gè)變量的優(yōu)化。

至少在這些情況下，可以證明激光器似乎在努力實(shí)現(xiàn)能源效率的最大化。本研究提出的理論，為在時(shí)空鎖模中觀察到的每一種不同類(lèi)型3-D脈沖提供了一個(gè)模型，這反過(guò)來(lái)可以幫助識(shí)別導(dǎo)致它們形成和穩(wěn)定的腔內(nèi)效應(yīng)。

總體而言，研究收集的發(fā)現(xiàn)與之前對(duì)模式鎖定的理解一致，但這種現(xiàn)象可能比最初認(rèn)為的更具創(chuàng)造性和復(fù)雜性。研究人員還表明，以前關(guān)于模式鎖定的直覺(jué)并不總是成立，特別是當(dāng)一個(gè)問(wèn)題非常復(fù)雜的時(shí)候。

多模激光可能是一個(gè)實(shí)驗(yàn)者，可以在非常復(fù)雜的環(huán)境中研究自組織和達(dá)爾文式競(jìng)爭(zhēng)的地方（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以模擬的范圍），但這仍然是可以控制的（例如，與自然界中的大多數(shù)動(dòng)物不同）。因此，它們可能是物理學(xué)家了解自然復(fù)雜系統(tǒng)如何自組織的好地方。

使用該理論方法，研究人員能夠識(shí)別出幾種不同類(lèi)型的3-D時(shí)空模式鎖定，所有這些類(lèi)型在單一維度上都沒(méi)有類(lèi)似的東西。因此，其研究結(jié)果可能有助于發(fā)現(xiàn)更復(fù)雜形式的相干光，這可能對(duì)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)都有重要意義。

激光在推動(dòng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)前沿方面發(fā)揮了極其重要的作用：在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，大多數(shù)諾貝爾獎(jiǎng)都依賴(lài)于一種測(cè)量或?qū)嶒?yàn)技術(shù)，這種技術(shù)是由特定激光能力促成的。因此，雖然我們還不能太具體，但對(duì)新激光能力最終可能為科學(xué)(和工業(yè))應(yīng)用帶來(lái)的好處感到興奮。

通過(guò)解釋激光技術(shù)如何在復(fù)雜的區(qū)域中工作，該新方法和觀察結(jié)果可能為開(kāi)發(fā)具有不同能力和特征的新型激光器鋪平道路。其理論還可以改善目前對(duì)復(fù)雜物理如何等同于自然優(yōu)化的理解，有可能為新的優(yōu)化和人工智能算法設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

在物理和信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室的NTT研究中心，研究人員現(xiàn)在正在努力了解自然物理系統(tǒng)是如何進(jìn)行計(jì)算的，以及我們?nèi)绾卫眠@些計(jì)算。在這個(gè)目標(biāo)范圍內(nèi)，多模激光器解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的能力，使其成為主要的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究正在積極致力于設(shè)計(jì)相關(guān)的光學(xué)機(jī)器，利用這種能力進(jìn)行模擬并解決復(fù)雜的組合問(wèn)題。目前關(guān)注的一個(gè)重要步驟是：試圖理解量子效應(yīng)對(duì)自然計(jì)算可能起到的作用。

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參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0784-1

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