德科學家成功讓光停留60秒：光儲存成可能
2013年07月31日 16:02 科技日報
本報記者 陳丹 綜合外電 光線是目前已知宇宙中傳播速度最快的，在空氣和真空中，光速接近每秒30萬千米；但在透過某些透明介質時，比如水或者玻璃，由於折射的關系，光速會稍微減慢，當然，這種減速極其有限，這一過程根本不可能被人們感知。 不過，科學家希望透過類似的效應來攔截、捕獲並重新釋放光，這是研制量子中繼器的重要步驟，也是未來打造強大的量子電腦以及構建長距離量子通訊的基礎。事實上，在過去的研究中，光的傳播速度不僅能夠被極大地降低，甚至還可以讓光停下，而停留的時間也從最初的轉瞬即逝，逐漸延長到以秒來衡量。而最近，來自德國的科學家更是創下紀錄：他們利用一種特殊晶體作為介質，將光「拘留」在內，時間持續了整整一分鐘。 從幾千分之一秒到分鐘的跨越 據【激光世界】網站近日報道，早在1999年，哈佛大學的研究人員就已經使光速減慢到每秒17米。他們利用磁場讓一小團冷卻至玻色—愛因斯坦凝聚態的原子雲懸浮在真空腔內，然後讓一束光透過原子雲，便觀測到了光速大大降低的現象。 此後，該團隊不斷調整自己的系統，在2001年的實驗中，他們將一束光儲存在另一束激光「傳送帶」上，成功做到了讓光「止步不前」，並且沒有摧毀光子或者擾亂它們的量子態。與此同時，另一個來自哈佛—史密森天體物理中心的團隊借助超冷鈉原子來儲存並釋放光能，也達到了同樣的目的。不過，這兩項實驗都只讓光的腳步停頓了幾千分之一秒。而只有讓這一時長達到秒級以上，才可能找到一種方法將光能相幹儲存在一個穩定的介質中，就像將電能儲存在電容器或電池中一樣。 今年年初，美國佐治亞理工學院的研究小組獲得新的突破，他們讓一束光停留了16秒的時間。但研究人員同時承認，要想構建洲際量子資訊網絡，儲存光的時長至少需以分鐘計而非秒計。 到了7月，「分鐘屏障」被德國達姆城大學的研究人員打破。他們用一種更為穩定的介質來取代由電磁場保持的超冷原子雲，這種介質是一種不透明的晶體，但激光照射可暫時將其變得透明，而光就在這種晶體中靜止了60秒。 「一分鐘非常非常長。這的確是一個重要的裏程碑。」【新科學家】雜誌援引英國聖安德魯斯大學微光子學專家杜文·克勞斯的話說。 光是被這樣「封凍」起來的 德國研究人員選擇的是低溫下摻有鐠的矽酸釔不透明晶體，其擁有一種特性——電磁誘導透明效應，有此效應的介質不會吸收某特定頻率的光，也就是說，該介質在這一頻率的光下是透明的。 他們將一束控制激光射向晶體，觸發晶體內部量子級別的反應，使晶體變得透明。隨後，他們用第二束光(可用於儲存數據/影像，實驗中儲存的是一幅由3條橫線構成的簡單圖片)照射透明的晶體，接著關閉控制激光束，讓晶體變回不透明狀。這不僅使第二束光被捕獲在晶體中，而且由於晶體不透明，第二束光無法發生折射，也就是說，這束光線的傳播停止了。 由於無路可走，被俘光子的能量被晶體中的其他原子吸收，而光子攜帶的圖片資訊也轉化成了原子自旋激發。接下來，研究人員重新開啟控制激光束，將被捕獲在晶體中的光線重新釋放出來，原子自旋激發(即圖片資訊)也就重新釋放給光子。這些原子自旋激發可以保持相幹性(數據完整性)的時間為一分鐘左右，之後釋放出的光脈沖(或儲存在上面的圖片)就失真了。 光儲存由此成為可能 從本質上說，這項成果使光儲存成為可能，即光線有望作為儲存和恢復數據的介質。量子電腦可以利用單個原子的量子態來儲存數據，但原子的量子相幹性很容易受到背景噪音的幹擾，而用光子的量子態，也就是用一束光的電磁場來儲存數據，會使透過光纖網絡傳輸量子編碼的數據更加容易，從而為遠端量子通訊網絡的建立提供保障。更讓人期待的是，這項研究或許也可以給探索如何讓光加速提供思路。 德國研究團隊表示，此次所用晶體材料的潛力已經發揮到了極限，如果改用其他材料，比如摻有銪的矽酸釔，再加上特定的磁場，數據儲存的時間將有可能延長得更久。但要將這項技術運用到現實世界中的電腦上，還需找到一種在室溫下低噪音儲存和傳輸光的方法。
英文原文連結：Researchers stop and store light for 60 seconds
參考文獻
[1] Heinze G, Hubrich C, Halfmann T. Stopped light and image storage by electromagnetically induced transparency up to the regime of one minute[J]. Physical review letters, 2013, 111(3): 033601.
[2] 陳丹. 德國科學家創造光儲存奇跡[J]. 科學大觀園, 2013, 17.
