在量子电动力学中，规范的选择(即用于调节自由度的特定数学形式)可以极大地影响光 - 物质相互作用的形式。然而，有趣的是，“规范不变性”原则意味着所有物理结果应独立于研究人员对规范的选择。量子Rabi模型经常用于描述腔QED中的光物质相互作用，在超强光物质耦合存在的情况下发现它违反了这一原理，并且过去的研究将这种失败归因于有限级截断物质系统。
RIKEN(日本)，墨西拿大学(意大利)和密歇根大学(美国)的一组研究人员最近进行了一项研究，进一步研究这一主题。在他们发表在Nature Physics上的论文中，他们确定了这种规范违规的来源，并提供了一种在截断的希尔伯特空间中导出光物质哈密顿量的方法，即使在极端光物质相互作用体系中也可以产生规范不变的物理结果。
“在过去的十年中，光与物质之间的超强耦合已经从理论观念转变为实验现实，”进行这项研究的研究人员之一Salvatore Savasta告诉Phys.org。“这是一种新的量子光 - 物质相互作用体系，它超越了弱耦合和强耦合，使耦合强度与系统中的跃迁频率相当。这些体系除了能够产生有趣的新物理效应外，还有许多潜在的应用，代表了一个加深我们对光与物质相互作用的微妙方面的理解的机会。“
在参与研究的Franco Nori教授组织的一次活动中，团队的其他成员了解到两个 手稿的存在，这些手稿表明了量子Rabi模型的规范不变性的细分。当考虑在存在强原子场相互作用的情况下两级系统和单模式电磁谐振器之间的相互作用时发生这种击穿。
“由于人们对腔QED的超强耦合方式的兴趣日益增加，并且由于规范对称性是现代物理学的基石，我们认为这种情况非常不令人满意，”Savasta说。“这些测量模糊性决定了腔QED中关键模型的部分缺乏可预测性，这是量子光学和量子技术的核心领域。”
当作者开始讨论这些问题时，Savasta突然想起了他的第一篇研究论文，以及由他的论文导师Raffaello Girlanda与Antonio Quattropani和Paolo Schwendimann合作进行的一项较早的研究。在这篇特别的论文中，研究人员表明，为了保持固体中多光子跃迁率的规范不变性，需要在标准电子 - 光子相互作用中加入校正项。
Savasta说：“我们开始将这些想法应用于我们的目标，即为任意相互作用强度推导出光物质相互作用的量子描述，这种相互作用强度可以避免测量模糊，尽管通常会引入不可避免的近似来管理计算。”
在物理学中，“规范原理”指出，对于物质系统的哈密顿量中的每个动量分量，需要添加场坐标的相应分量。该过程称为“最小耦合替换”。
萨瓦斯塔和他的同事们根据先前研究收集的观察结果开展工作，这些研究表明物质系统描述中的近似可以将原子局部势转化为非局域势，可以根据其位置和动量表示为量子算子。 。在这种情况下，为了满足规范原理，也需要将最小耦合替换应用于电位。
“我们使用了一种先前由其中一位作者开发的操作员技术，即使物质系统的实际非局部电位未知，它也能够正常工作，”Savasta解释说。
“到目前为止，非局部势对相互作用的影响仅被考虑到向量势的二阶。我们发现当物质系统是高度非线性的，当耦合强度非常高时，所有的阶数都必须包括在内“。
Savasta及其同事进行的这项研究为量子电动力学领域提供了非常重要的见解。首先也是最重要的是，他们的工作表明，有一种简单的方法可以获得光谱 - 物质相互作用的规范不变描述，尽管有近似和极端的相互作用强度，仍然有效。
“我们的研究结果揭示了非微扰和极端相互作用体系中的规范不变性，以及解决量子Rabi和Dicke模型中量规模糊性引起的长期争议(许多量子发射体的量子Rabi模型的扩展) )，“萨瓦斯塔说。“通过这样做，它们可以在超长腔QED中对实验结果进行精确而明确的理论预测/描述。”
这个研究小组收集的研究结果加深了当前对光和物质之间相互作用的微妙但相关的量子方面的理解。它们也可能有助于解决由于过去观察量子Rabi和Dicke模型中的测量模糊而引起的持续争议和争论。在未来，他们的研究所关注的极端制度可能会产生新的物理效应和应用，同时也会挑战研究人员目前对腔QED的了解。
“当相互作用强度如此之高时，基本问题，如子系统及其量子测量的正确定义，混合光物质基态的结构，或时间相互作用的分析，都会产生模糊性，导致质量明显不同预测，“萨瓦斯塔说。“这些问题提供了前所未有的机会，可以进一步加深我们对光与物质之间相互作用的量子方面的理解。我们现在正在积极努力解决这些问题。”