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    光被“拘留”了一分鐘

    時間:2014-07-01 00:00 轉載請尊重版權注明來源和作者

    光被“拘留”了一分鐘

    ——德科學家成功讓光在晶體中停留60秒

    來源:科技日報        作者: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;但在通過某些透明介質時,比如水或者玻璃,由于折射的關系,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,科學家希望通過類似的效應來攔截、捕獲并重新釋放光,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計算機以及構建長距離量子通信的基礎。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云懸浮在真空腔內,然后讓一束光通過原子云,便觀測到了光速大大降低的現象。

    此后,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”,并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存儲并釋放光能,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干存儲在一個穩定的介質中,就像將電能存儲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,要想構建洲際量子信息網絡,存儲光的時長至少需以分鐘計而非秒計。

    到了7月,“分鐘屏障”被德國達姆施塔特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云,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里程碑。”《新科學家》雜志援引英國圣安德魯斯大學微光子學專家托馬斯·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硅酸釔不透明晶體,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。隨后,他們用第二束光(可用于存儲數據/圖像,實驗中存儲的是一幅由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,而且由于晶體不透明,第二束光無法發生折射,也就是說,這束光線的傳播停止了。

    由于無路可走,被俘光子的能量被晶體中的其他原子吸收,而光子攜帶的圖片信息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(即圖片信息)也就重新釋放給光子。這些原子自旋激發可以保持相干性(數據完整性)的時間為一分鐘左右,之后釋放出的光脈沖(或存儲在上面的圖片)就失真了。

    光存儲由此成為可能

    從本質上說,這項成果使光存儲成為可能,即光線有望作為存儲和恢復數據的介質。量子計算機可以利用單個原子的量子態來存儲數據,但原子的量子相干性很容易受到背景噪音的干擾,而用光子的量子態,也就是用一束光的電磁場來存儲數據,會使通過光纖網絡傳輸量子編碼的數據更加容易,從而為遠程量子通信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,比如摻有銪的硅酸釔,再加上特定的磁場,數據存儲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計算機上,還需找到一種在室溫下低噪音儲存和傳輸光的方法。

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