德國科學家成功讓光在晶體中停留60秒

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(zhì)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(gòu)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(zhuǎn)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(chuàng)下紀錄：他們利用一種特殊晶體作為介質(zhì)，將光“拘留”在內(nèi)，時間持續(xù)了整整一分鐘。

從幾千分之一秒到分鐘的跨越

據(jù)《激光世界》網(wǎng)站近日報道，早在1999年，哈佛大學的研究人員就已經(jīng)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(tài)的原子云懸浮在真空腔內(nèi)，然后讓一束光通過原子云，便觀測到了光速大大降低的現(xiàn)象。

此后，該團隊不斷調(diào)整自己的系統(tǒng)，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(tài)。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(wěn)定的介質(zhì)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(gòu)建洲際量子信息網(wǎng)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(wěn)定的介質(zhì)來取代由電磁場保持的超冷原子云，這種介質(zhì)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?lián)接戌挼墓杷後惒煌该骶w，其擁有一種特性——電磁誘導透明效應，有此效應的介質(zhì)不會吸收某特定頻率的光，也就是說，該介質(zhì)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(fā)晶體內(nèi)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(shù)據(jù)/圖像，實驗中存儲的是一幅由3條橫線構(gòu)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(fā)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(zhuǎn)化成了原子自旋激發(fā)。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(fā)(即圖片信息)也就重新釋放給光子。這些原子自旋激發(fā)可以保持相干性(數(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)據(jù)的介質(zhì)。量子計算機可以利用單個原子的量子態(tài)來存儲數(shù)據(jù)，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(tài)，也就是用一束光的電磁場來存儲數(shù)據(jù)，會使通過光纖網(wǎng)絡傳輸量子編碼的數(shù)據(jù)更加容易，從而為遠程量子通信網(wǎng)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(jīng)發(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)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。