德科学家成功让光停留60秒

作者:浮夸的晓编 分类:科学 发布于:2013-8-1
  光线是目前已知宇宙中传播速度最快的,在空气和真空中,光速接近每秒30万千米;但在通过某些透明介质时,比如水或者玻璃,由于折射的关系,光速会稍微减慢,当然,这种减速极其有限,这一过程根本不可能被人们感知。

  不过,科学家希望通过类似的效应来拦截、捕获并重新释放光,这是研制量子中继器的重要步骤,也是未来打造强大的量子计算机以及构建长距离量子通信的基础。事实上,在过去的研究中,光的传播速度不仅能够被极大地降低,甚至还可以让光停下,而停留的时间也从最初的转瞬即逝,逐渐延长到以秒来衡量。而最近,来自德国的科学家更是创下纪录:他们利用一种特殊晶体作为介质,将光“拘留”在内,时间持续了整整一分钟。

  从几千分之一秒到分钟的跨越

  据《激光世界》网站近日报道,早在1999年,哈佛大学的研究人员就已经使光速减慢到每秒17米。他们利用磁场让一小团冷却至玻色—爱因斯坦凝聚态的原子云悬浮在真空腔内,然后让一束光通过原子云,便观测到了光速大大降低的现象。

  此后,该团队不断调整自己的系统,在2001年的实验中,他们将一束光储存在另一束激光“传送带”上,成功做到了让光“止步不前”,并且没有摧毁光子或者扰乱它们的量子态。与此同时,另一个来自哈佛—史密森天体物理中心的团队借助超冷钠原子来存储并释放光能,也达到了同样的目的。不过,这两项实验都只让光的脚步停顿了几千分之一秒。而只有让这一时长达到秒级以上,才可能找到一种方法将光能相干存储在一个稳定的介质中,就像将电能存储在电容器或电池中一样。

  今年年初,美国佐治亚理工学院的研究小组获得新的突破,他们让一束光停留了16秒的时间。但研究人员同时承认,要想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。

  到了7月,“分钟屏障”被德国达姆施塔特大学的研究人员打破。他们用一种更为稳定的介质来取代由电磁场保持的超冷原子云,这种介质是一种不透明的晶体,但激光照射可暂时将其变得透明,而光就在这种晶体中静止了60秒。

  “一分钟非常非常长。这的确是一个重要的里程碑。”《新科学家》杂志援引英国圣安德鲁斯大学微光子学专家托马斯·克劳斯的话说。

  光是被这样“封冻”起来的

  德国研究人员选择的是低温下掺有镨的硅酸钇不透明晶体,其拥有一种特性——电磁诱导透明效应,有此效应的介质不会吸收某特定频率的光,也就是说,该介质在这一频率的光下是透明的。

  他们将一束控制激光射向晶体,触发晶体内部量子级别的反应,使晶体变得透明。随后,他们用第二束光(可用于存储数据/图像,实验中存储的是一幅由3条横线构成的简单图片)照射透明的晶体,接着关闭控制激光束,让晶体变回不透明状。这不仅使第二束光被捕获在晶体中,而且由于晶体不透明,第二束光无法发生折射,也就是说,这束光线的传播停止了。

  由于无路可走,被俘光子的能量被晶体中的其他原子吸收,而光子携带的图片信息也转化成了原子自旋激发。接下来,研究人员重新开启控制激光束,将被捕获在晶体中的光线重新释放出来,原子自旋激发(即图片信息)也就重新释放给光子。这些原子自旋激发可以保持相干性(数据完整性)的时间为一分钟左右,之后释放出的光脉冲(或存储在上面的图片)就失真了。

  光存储由此成为可能

  从本质上说,这项成果使光存储成为可能,即光线有望作为存储和恢复数据的介质。量子计算机可以利用单个原子的量子态来存储数据,但原子的量子相干性很容易受到背景噪音的干扰,而用光子的量子态,也就是用一束光的电磁场来存储数据,会使通过光纤网络传输量子编码的数据更加容易,从而为远程量子通信网络的建立提供保障。更让人期待的是,这项研究或许也可以给探索如何让光加速提供思路。

  德国研究团队表示,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,数据存储的时间将有可能延长得更久。但要将这项技术运用到现实世界中的计算机上,还需找到一种在室温下低噪音储存和传输光的方法。