人类首次让光停止传播60秒

　　在爱因斯坦的相对论框架中，光速被认为是无法“超越”的，这个宇宙中的“极限速度”一直是科学家突破的目标，如果我们无法实现超光速运行，那么是否可以将光速减慢？来自德国达姆施塔特大学的研究人员成功将光“困”在晶体中长达60秒，该技术是实现并提高量子通信技术的关键一步。

　　宇宙真空环境中传播速度最快的光也无法逃脱人类的控制，特殊的晶体介质将光的速度降低，并彻底让它“停止”，来自英国圣安德鲁斯大学科学家托马斯·克劳斯认为一分钟对于控制光速的实验而言已经是非常非常长了，这是一个重要的里程碑！

　　哈佛大学的科学家们此前已经成功将光“限速”，并再次恢复光的速度，但是哈佛的实验只将光速限制在千分之一秒内，光速被限制后仅为48公里每小时（38英里每小时）

　　早在1999年，哈佛大学的物理学家Lene Vestergaard使用接近绝对零度的超流性气态原子云成功将一受控光束的速度降低至每秒17米，两年后将光速受控停止在一个时间区间内。

　　光速是目前宇宙真空环境中的“极限速度”，爱因斯坦相对论不允许物体的运动速度超过光速，光的速度为每秒186,282英里，确切说只要1.2862秒就能抵达月球。

　　为了使宇宙速度最快的光“停止”下来，德国科学家使用了一种被称为电磁感应透明效应（EIT）技术，通过量子相干效应使得光原子共振吸收频率上变得透明，在EIT形成的频谱上，只有一定频率范围内存在透明和不吸收的通道，因此德国科学家在设计实验过程中需要对光脉冲的频宽进行控制。

　　事实上，电磁感应透明效应是三能级系统中量子干涉的结果，其光谱理论计算通常是利用基于原子密度矩阵的光学布拉赫方程式。

　　在本次实验中，科学家将受控光速指向含有镨元素的硅酸钇晶体，通过控制激光束调节晶体的透明态和不透明态，使入射光束无法折射，最终在原子自旋的介入下控制光子携带的信息。

　　此前也有相关实验将受控光速注入低温铷（87Rb）原子介质，达到降低光速的目的，利用偏极梯度冷却法和压缩式磁光陷阱增加受控原子团的密度。

　　另外，哈佛–史密森天文物理中心也对该课题进行了研究，同样采用玻色–爱因斯坦凝聚体原子团将光子携带的信息冻结，速度开始降低，最终存储时间达到1毫秒，这些实验对量子通讯有着很大的意义。

　　光被“拘留”了一分钟

　　光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。

　　德科学家成功让光在晶体中停留60秒

　　来源：科技日报

　　作者：陈丹 综合外电