Year:    2013

CAM-Net Digest, Vol. 10 (2013), Iss. 16 : p. 7

Abstract

光，如果我们不对这个词作任何解释，每个人都会认为自己对其非常熟悉，对这个“看得到却摸不着”的东西甚至可以说出很多理论，比如：光在真空中的传播速度最快；光速是自然界物体运动的最大速度……。不过，当我们再具体一些去了解光的波粒二象性，有些人就难免开始糊涂了。
人类应用光的历史是从驱逐黑暗开始的，在漫长的发展中，利用光的波动特性（波动光学），我们已经实现了很多应用，同时推动着社会的飞速发展。但是，光的粒子性虽然已经被科学家所认识，但在应用领域中还属于未开发的状态。
利用之前，要先控制。因此，科学家们试图让光放慢脚步，甚至停止，在量子级别上控制并利用光。在 2013 年 7 月，德国达姆施塔特大学研究人员创造了历史，他们让光停留了整整60秒。
从16秒到60秒
1999 年，哈佛大学研究人员曾让光速降至每秒仅 17 米，并在 2001 年，设法让光停住，但仅仅停留了几分之一秒。就在今年年初，美国佐治亚理工学院研究人员让光停留了 16 秒。几个月后，德国研究人员将这个时间延长至 60 秒。
德国达姆施塔特大学应用物理学院量子光学研究组教授托马斯霍夫曼（Thomas Halfmann）在接受《中国科学报》记者的邮件采访时描述了实验过程。
研究人员首先利用控制光脉冲改变了作为介质的不透明晶体的特性。在这儿可以复习一下波尔的原子理论：电子以不同的能量级围绕原子核做圆周运动，离原子核越远，能量越高，而能量级由原子中的电场决定。当研究人员控制激光打到晶体上时，激光的电场 就会改变晶体中原子的电场，随之就会改变原子的能量级。
随着能量级的改变，晶体原子的折射率发生了改变，也就改变了光在其中的传播速度。这可以简单地与光在不同介质中传播速度的快慢来比拟。空气、水、玻璃的折射率依次增加，光在其中的传播速度依次递减。实际上，研究人员也一直在利用这一特点改变光的速度，直到使其停留。
这种方法就是电磁感应透明效应（EIT）。
不透明的晶体在光脉冲的作用下，折射率变小，暂时透明，让光线可以通过，但撤掉光脉冲后，折射率恢复，已经进去的光变得无路可走，暂时停留在晶体中。
再打上这束光，被锁在里面的光就被释放了。可是我们如何知道光被锁住又被释放了？
霍夫曼告诉记者，实验中存储的是一幅由 3 条横线构成的简单图片。当它们被锁在晶体中并没有消失，而是转化为物理学家所称的“原子相干”，被俘获的光子的能量被晶体中的原子吸收，转化为原子振荡。但是，原子振荡能够保存的数据时间非常短，霍夫曼 的研究组所选用的材料极限就是 60 秒。被释放的光，依然可以保存图片信息，但超过这个时间，数据也就失真了。
美国佐治亚理工学院研究人员利用的是超低温气体，而霍夫曼等人将介质改变为晶体。介质的改变，可以说是 16 秒到 60 秒跨越的关键。“相比气体，晶体更加容易被控制。”霍夫曼说。
分钟屏障
近年来，人们从理论和实验两个方面探讨了利用原子系统来存储光的量子信息。中国科学院量子信息重点实验室研究员李传峰告诉《中国科学报》记者，光子是信息最快、最稳定的载体，它是量子通信的自然选择，在量子计算中也有非常重要的作用。
但是，想要构建洲际量子信息网络，存储光的时长至少需以分钟计而非秒计。这被称为“分钟屏障”。
在霍夫曼研究团队之前的研究，采用的方法都是相似的，也就是利用超低温气体，即所谓的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）。
在将气体降到绝对零度的条件下，实现让光停滞。但是，霍夫曼告诉《中国科学报》记者，在这种条件下，存储方法寿命极短。“因为气体中的原子相干性十分脆弱，只能维持 100兆分之一秒，而在特殊条件下也只能维持 10 微秒。而我们选择的晶体其原子相干性可保持500 微秒。”
而且，此前利用气体所做的试验中，气体量只能达到 1 立方厘米，而不能做到更多，这也就局限了可能存储的光的量。换做晶体，存储量即可根据晶体大小而增加。此外，每单位内气体的原子量也远远少于固体中的原子量。霍夫曼说，每个原子对应的可以存储 一个光子携带的信息。这样也可以看出，气体的存储密度也远远不如晶体更有潜力。
李传峰表示，德国研究人员采用的 EIT 技术突破“分钟屏障”，而比 EIT 技术更先进的则是原子频率束技术（AFC）。AFC 是针对 EIT 缺点的改进，EIT 带宽比较窄，AFC 就相当于多个EIT 同时去操作，而获得更宽的带宽。因此，科学家也更 倾向于用 AFC 在固体里面做量子存储。
霍夫曼表示，此次所用晶体材料的潜力已经发挥到了极限，如果改用其他材料，比如掺有铕的硅酸钇，再加上特定的磁场，数据存储的时间将可能延长得更久。而他们的目标是将存储时间延长到 1 周，他们将在明年进行尝试。
从光存储到量子存储
其实，如果仅仅是让光线停住，每个人都可以做到，拿一张黑色的纸挡在一束光前，以每秒30 万公里速度传播的光也就被阻止了，但光也就随之消失了。而研究人员所做的，就是让这些停止的光再次传播。
科学家的这些探索，我们总是用“揭秘”来形容，但正如量子力学创始人之一尼尔斯波尔所说，一个科学理论并不是要描述自然，而是给我们一种操纵自然界事物的规则和与其结果相交流的语言。
霍夫曼对光储存研究的认识是：“研究人员做这些可不是为了纯粹的兴趣，这是未来信息技术发展的关键。任何量子计算机、量子信息技术都需要量子存储。”
那么霍夫曼的实验与量子存储还有多远的距离？
中国科学院院士郭光灿首先强调了光存储与量子存储的区别。他告诉《中国科学报》记者：“目前做到 60 秒的光存储是经典存储，不是量子存储，要把经典存储这个体系做成量子存储还需要很长时间的努力，需要克服许多困难。”
李传峰告诉《中国科学报》记者，量子光是单个光子的行为，实验中激光是经典光，也就是一堆光子的行为。如果我们把光源做得比较好的话，量子的单光子源，也能达到这个极限。“这也给了我们一个信号，如果我们沿着固态存储走下去，就能够达到全球化量子网络。”
李传峰认为，从原理上讲，固态存储系统可以走到量子级，只需要完成将经典的光变成量子的光。这样，全球化量子网络的传输速度就是光速。“在整个地球上用光速传递信息并存储起来。转了一圈回来，信息还是与原来的信息有相干性，这就达到真正的全球化了。”
近年来，光作为一种信息载体，已经广泛服务于人类社会。信息技术基本上可以分为信息的采集、传输、处理、存储和显示等 5 个方面。与电子信息技术相比，光在采集、传输以及显示技术方面都占据了优势。光纤通信的飞速发展，没有人怀疑光通信在信息 网络的主流地位；越洋通信、海底光缆已经把世界变得不再遥远；光检测技术以其高精度、高分辨率、无损、非接触等方面的优势，也正成为检测技术的高端产品； 绚丽多姿的各种显示屏，把人们带进了美妙的虚拟世界……
郭光灿表示，对光的经典存储也是很有用的，全光网络里就需要经典光的存储，这个存储的发展对实现全光网络、全光通信意义重大。
而光存储对量子实验的意义在于，它给了量子实验一个积极的信号。“如果经典光存储能做到 60 秒，理论上量子存储也能做到 60 秒。但是要实现需要采取许多措施，技术上还很难达到。”
在存储与处理技术方面依然落后于电子信息技术的光信息技术，在突破了“分钟屏蔽”后，让科学家们看到了更大的希望。李传峰认为，“光存储的这一进步让我们知道了对于量子光研究而言，这个系统在原则上是可行的”。