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眾所周知，光在真空中的速度約每秒300000km，要想比它跑得快是完全不可能的事情。要想知道光里面到底有什么，要么和它跑的一樣快，要么把光慢下來，最好讓它靜止。而這個(gè)把光慢下來，甚至留住，正是光儲(chǔ)存領(lǐng)域的科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)，而近日，這一目標(biāo)在中國科學(xué)家手中迎來了具有實(shí)際意義的重大突破。

光作為一種傳遞能量和信息的媒介，在科學(xué)技術(shù)日益精進(jìn)的今天，科學(xué)家們開始設(shè)想是否可以對(duì)光進(jìn)行捕獲和儲(chǔ)存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大密度的信息和能量的傳遞。

拆開的光纖 來源丨網(wǎng)絡(luò)

其實(shí)利用光進(jìn)行信息傳遞已經(jīng)不是什么新鮮的事情了，比如人們經(jīng)常聽到光導(dǎo)纖維，也就是光纖。光纖的工作原理很簡(jiǎn)單，就是利用光的全反射：當(dāng)光線射到內(nèi)芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線透不過界面，全部反射。

來源丨網(wǎng)絡(luò)

故而，光導(dǎo)纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成，以滿足上述的全反射原理。這其實(shí)就是一種對(duì)光的“捕獲”和“儲(chǔ)存”，只不過在這個(gè)過程中，光仍舊以接近真空光速在運(yùn)動(dòng)，并非我們想象中的用一個(gè)類似于箱體的物質(zhì)對(duì)光進(jìn)行“靜態(tài)”的封裝存儲(chǔ)。

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那么，怎么儲(chǔ)存光？

首先，對(duì)光進(jìn)行存儲(chǔ)是保持它的什么性質(zhì)不發(fā)生變化，這是我們需要理清楚的一件事。

在信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是基于電子這一微觀粒子構(gòu)建的。電子作為一種微觀粒子，在運(yùn)動(dòng)的過程中伴隨著能量增加或減少，根據(jù)這一特點(diǎn)，科學(xué)家和工程師們可以搭建集成電路，控制電能的定向運(yùn)動(dòng)，由此就產(chǎn)生的0和1信號(hào)，也就是通斷信號(hào)，我們就可以用來傳播信息。

來源丨網(wǎng)絡(luò)

但是光量子的運(yùn)用與電子的運(yùn)用存在著不同，在對(duì)光量子進(jìn)行利用的過程中，除了要考慮它的能量大小之外，光量子的本身是相位變化也需要控制在一定的精度范圍之內(nèi)，才能保證其存儲(chǔ)的信息不發(fā)生變化且可以被讀取到。故而，在存儲(chǔ)光的過程中，相位不發(fā)生變化是首要問題。那么帶來的一個(gè)必然問題就是，存儲(chǔ)光量子，必然不能像存儲(chǔ)電子一樣簡(jiǎn)單。

和任何發(fā)明創(chuàng)造一樣，光存儲(chǔ)首先要在理論上進(jìn)行探究解釋。在1980-1990年代，相關(guān)的理論就已經(jīng)開始發(fā)展，經(jīng)過漫長時(shí)間的探索，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)理論（Electromagnetically Induced Transparency，簡(jiǎn)稱EIT）。這一效應(yīng)可以簡(jiǎn)單解釋成為：某種介質(zhì)強(qiáng)烈地吸收某一頻率的光束，而當(dāng)再施加另一束能被介質(zhì)吸收的光束時(shí)，介質(zhì)對(duì)于第一束頻率的光就不再吸收了。

三能級(jí)系統(tǒng)圖 來源丨網(wǎng)絡(luò)

目前人們普遍認(rèn)識(shí)到要實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，應(yīng)該滿足兩個(gè)條件：第一，需要有兩束經(jīng)過頻率和相位鎖定的激光，其中一束為控制光，有較強(qiáng)的光強(qiáng)；另一束為信號(hào)光，光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制光強(qiáng)；第二，這兩束光與三能級(jí)原子介質(zhì)發(fā)生相互作用,并滿足雙光子共振的條件。利用這一效應(yīng)，科學(xué)家們可以通過調(diào)節(jié)控制光的光強(qiáng)來有效操控光的群速度，進(jìn)而對(duì)光進(jìn)行減速。

簡(jiǎn)單來說，要實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，需要一種特殊頻率的來作為“鑰匙”，打開介質(zhì)這個(gè)“減速器”，然后需要存儲(chǔ)的信號(hào)光就可以在介質(zhì)中減速了，不同的“鑰匙”對(duì)應(yīng)不同檔位的“減速器”。

在可以對(duì)光進(jìn)行減速的前提下，進(jìn)而又提出了基于EIT效應(yīng)的全光存儲(chǔ)理論模型——暗態(tài)極子化模型，這一模型可以將上述的“減速器”的速度設(shè)置為0。

那么在這樣的情況下，任何人都比光“走”得快了。

現(xiàn)在留給科學(xué)家們需要解決的是保持這一零速度狀態(tài)的時(shí)間足以滿足實(shí)際的工程需要的問題，而這正是21世紀(jì)以來國內(nèi)外光存儲(chǔ)領(lǐng)域的科學(xué)家們通宵達(dá)旦想要攻破的難關(guān)。

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儲(chǔ)存光的介質(zhì)

經(jīng)過前面的解釋，我們對(duì)怎么存儲(chǔ)光已經(jīng)有了一個(gè)淺顯的認(rèn)識(shí)：需要某種介質(zhì)，這種介質(zhì)在EIT效應(yīng)的基礎(chǔ)上，加以光路控制可以實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)，那么這種介質(zhì)應(yīng)該如何選擇，需要什么特性的材料呢？

2001年，哈佛大學(xué)的Hau小組選用鈉冷原子作為介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了光脈沖信號(hào)的讀寫，存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到1毫秒；而同時(shí)哈佛大學(xué)的Lukin小組在2003年，利用不同的控制技術(shù)在熱原子介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了800毫秒的光存儲(chǔ)和釋放。但是這短短的幾百毫秒根本不足以用于任何的實(shí)際工程領(lǐng)域，怎么辦呢？

在2005年，澳洲科學(xué)家實(shí)現(xiàn)在摻鐠硅酸釔晶體固體材料介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了1s的光存儲(chǔ)，2013年，德國達(dá)姆施塔特大學(xué)的科研人員同樣利用基于摻鐠硅酸釔晶體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了1分鐘的光存儲(chǔ)的世界紀(jì)錄。在一秒到一分鐘的突破中，澳洲和德國科學(xué)家選用的是摻鐠硅酸釔晶體，其中鐠是一種稀土金屬，這為提高光存儲(chǔ)時(shí)間的困局指出一條道路：選用摻雜稀土金屬的晶體！

但是稀土金屬有17種，每種金屬元素的性質(zhì)都不相同，怎么選擇呢？并且為什么選擇稀土金屬呢？

德國團(tuán)隊(duì)的光路控制演示圖 來源丨網(wǎng)絡(luò)

我們把視線轉(zhuǎn)回到中國科學(xué)家。在2015年的時(shí)候，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的李傳鋒、周宗權(quán)研究組自制了光學(xué)拉曼外差探測(cè)核磁共振譜儀，專門用于稀土離子摻雜晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)分析。這一儀器為他們選擇適用于光存儲(chǔ)的介質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

在這一自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)儀器的幫助下，中科大的李傳鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由于稀土離子的特殊外層電子結(jié)構(gòu)，使得即便是在固體中，摻雜的稀土離子仍舊保持近似自由自立的光譜特性，可以很好地用于光存儲(chǔ)及量子存儲(chǔ)，并且具有長存儲(chǔ)時(shí)間、大帶寬、多模式，可集成發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。這也就回答了為什么選擇稀土元素?fù)诫s可以提高光存儲(chǔ)時(shí)間的問題。

六水合三氯化銪晶體，厚度約2mm，虛線內(nèi)為存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)所用區(qū)域

來源丨網(wǎng)絡(luò)

在17種稀土金屬中，中國科學(xué)家選擇銪金屬作為晶體中的摻雜離子，在他們的控制下，可以實(shí)現(xiàn)長達(dá)一個(gè)小時(shí)的光存儲(chǔ)時(shí)間，理論上甚至可以存儲(chǔ)一個(gè)月之久。

中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)所選用的金屬銪是最為稀有的稀土元素，在地殼中的含量?jī)H僅有0.000106%，選擇出這樣的一種摻雜離子實(shí)屬不易。這都要?dú)w功于中科大的李傳鋒團(tuán)隊(duì)在稀土金屬領(lǐng)域長時(shí)間獨(dú)立自主堅(jiān)持不懈的耕耘。

中國科學(xué)家的光路控制示意圖 來源丨網(wǎng)絡(luò)

在中國科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)中，光總存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)1小時(shí)，且光的相位存儲(chǔ)保真度高達(dá)96.4±2.5%。具有里程碑式的突破，使得光存儲(chǔ)真正具有了實(shí)際的工程應(yīng)用條件，為大型的量子網(wǎng)絡(luò)搭建奠定基礎(chǔ)。

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實(shí)驗(yàn)有哪些實(shí)際意義？

最為重要的是光存儲(chǔ)在量子通信中的作用。因?yàn)楣饫w傳播的指數(shù)級(jí)的光子損耗，地面糾纏分發(fā)的距離當(dāng)前被限制在百公里的范圍內(nèi)。

而光量子的存儲(chǔ)可以建立量子中繼器，克服這一損耗，在量子中繼衛(wèi)星中搭載這一光存儲(chǔ)技術(shù)，一個(gè)小時(shí)的時(shí)間可以滿足覆蓋全球的量子信息傳播，進(jìn)而建立起遠(yuǎn)距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

儲(chǔ)存光的晶體 來源丨新聞圖片

我們可以把光子理解成為一輛載滿信息的跑車，把中繼器理解成為加油站。在長距離運(yùn)輸過程中，如果不加油，光子這輛“跑車”就會(huì)“丟掉”一些“負(fù)重”，也就是信息會(huì)失真，而光子在量子中繼器這里“加油”，就可以保持其“負(fù)重”不丟失，也即保證了傳輸信息的質(zhì)量。

此外，還可以將量子存儲(chǔ)技術(shù)用于“U盤”中，制作成的量子U盤具有高保密性和保真性。即便丟失，其中的信息也無法被破譯截取。但是當(dāng)今的交通運(yùn)輸方式，即便是高鐵和飛機(jī)在運(yùn)輸量子U盤時(shí)，在僅僅一個(gè)小時(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)輸距離也是有限的。仍舊需要在這一光存儲(chǔ)的道路上繼續(xù)前進(jìn)。說不定在未來某天，我們普通人也能用上量子U盤和量子計(jì)算機(jī)。

來源：數(shù)字北京科學(xué)中心

審核專家：羅會(huì)仟

中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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