http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-07-31
德国科学家成功让光在晶体中停留60秒
本报记者 陈丹 综合外电
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。
[新浪网-科技日报]
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两根填充500个光子的光纤发生纠缠 量子物理学从微观向宏观层面迈进
中国科技网讯 据物理学家组织网7月26日（北京时间）报道，量子物理学似乎一直涉及的是一些无限小的事物。而多年以来，瑞士日内瓦大学的研究人员一直试图在更大规模甚至宏观层面上观察到量子物理的性质。最近该研究团队成功让两根填充了500个光子的光纤发生纠缠，不同于以往只有1个光子的光纤纠缠实验，向实现宏观层面的量子纠缠迈出了重要一步。相关研究成果发表在最新一期的《自然·物理学》上。
30年以来，物理学家已经能够使光子对发生纠缠。不管两个光子之间存在的距离和障碍如何，第一个光子的动作会在瞬间冲击第二个光子。这种状况发生时，好像是一个单光子存在于两个不同的地方。
似乎可以直观地认为，应用于原子水平上的物理规则也可转移到宏观世界当中。然而，试图证明这一点并不容易。事实上，当一个量子系统大小增加，其与周围环境就会进行越来越多的互动，而这样却会迅速破坏其量子特性，这种现象被称为量子消相干。
尽管有这些限制，在技术的不断进步下，该研究团队一直在努力寻求突破。2011年1月，他们设法实现了晶体纠缠，从而超越了原子的维度。现在，该大学理学院教授尼古拉斯率领的团队成功使两个填充了500个光子的光纤发生纠缠。
为了做到这一点，他们先在微观层面上创建两个光纤之间的纠缠，然后将其移到宏观层面。这种微观量子纠缠态的生存过渡到更大规模世界的现象，甚至可以用传统的检测手段，即肉眼观察得到。而为了验证在宏观世界的纠缠存活，他们可以将其重新转换回微观水平。
尼古拉斯说：“这次大规模实验为许多量子物理学的应用铺平了道路。在宏观层面的纠缠是该领域的主要研究方向之一，我们希望在未来几年可以实现大型对象间发生的纠缠。”（记者 华凌）
总编辑圈点
尽管量子学还是“上帝跟宇宙玩掷骰子”，但物理学家们早已证实神秘现象不仅仅局限于极度微观领域中。好比本文中的量子纠缠，其实不像人们通常以为的那么“脆弱”，还曾在全固体材料中实现过，它最终走入到电子设备中是迟早的事。目前这一成果，在将来能为研制适用于量子通信的全光纤纠缠光源和单光子源带来益处，对于量子密钥的分发系统也起到重要作用。
[中科网]