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在愛因斯坦的相對論框架中，光速被認為是無法“超越”的，這個宇宙中的“極限速度”一直是科學家突破的目標，如果我們無法實現超光速執行，那麼是否可以將光速減慢？來自德國達姆施塔特大學的研究人員成功將光“困”在晶體中長達60秒，該技術是實現並提高量子通訊技術的關鍵一步。
宇宙真空環境中傳播速度最快的光也無法逃脫人類的控制，特殊的晶體介質將光的速度降低，並徹底讓它“停止”，來自英國聖安德魯斯大學科學家托馬斯·認為一分鐘對於控制光速的實驗而言已經是非常非常長了，這是一個重要的里程碑！
哈佛大學的科學家們此前已經成功將光“限速”，並再次恢復光的速度，但是哈佛的實驗只將光速限制在千分之一秒內，光速被限制後僅為48公里每小時（38英里每小時）
早在1999年，哈佛大學的物理學家Lene Vestergaard使用接近絕對零度的超流性氣態原子雲成功將一受控光束的速度降低至每秒17米，兩年後將光速受控停止在一個時間區間內。
光速是目前宇宙真空環境中的“極限速度”，愛因斯坦相對論不允許物體的運動速度超過光速，光的速度為每秒186,282英里，確切說只要1.2862秒就能抵達月球。
為了使宇宙速度最快的光“停止”下來，德國科學家使用了一種被稱為電磁感應透明效應（EIT）技術，透過量子相干效應使得光原子共振吸收頻率上變得透明，在EIT形成的頻譜上，只有一定頻率範圍內存在透明和不吸收的通道，因此德國科學家在設計實驗過程中需要對光脈衝的頻寬進行控制。
事實上，電磁感應透明效應是三能級系統中量子干涉的結果，其光譜理論計算通常是利用基於原子密度矩陣的光學布拉赫方程式。
在本次實驗中，科學家將受控光速指向含有鐠元素的矽酸釔晶體，透過控制鐳射束調節晶體的透明態和不透明態，使入射光束無法折射，最終在原子自旋的介入下控制光子攜帶的資訊。
此前也有相關實驗將受控光速注入低溫銣（87Rb）原子介質，達到降低光速的目的，利用偏極梯度冷卻法和壓縮式磁光陷阱增加受控原子團的密度。
另外，哈佛–史密森天文物理中心也對該課題進行了研究，同樣採用玻色–愛因斯坦凝聚體原子團將光子攜帶的資訊凍結，速度開始降低，最終儲存時間達到1毫秒，這些實驗對量子通訊有著很大的意義。
光被“拘留”了一分鐘
光是目前已知宇宙中傳播速度最快的，在空氣和真空中，光速接近每秒30萬千米；但在透過某些透明介質時，比如水或者玻璃，由於折射的關係，光速會稍微減慢，當然，這種減速極其有限，這一過程根本不可能被人們感知。
不過，科學家希望透過類似的效應來攔截、捕獲並重新釋放光，這是研製量子中繼器的重要步驟，也是未來打造強大的量子計算機以及構建長距離量子通訊的基礎。事實上，在過去的研究中，光的傳播速度不僅能夠被極大地降低，甚至還可以讓光停下，而停留的時間也從最初的轉瞬即逝，逐漸延長到以秒來衡量。而最近，來自德國的科學家更是創下紀錄：他們利用一種特殊晶體作為介質，將光“拘留”在內，時間持續了整整一分鐘。
從幾千分之一秒到分鐘的跨越
據《鐳射世界》網站近日報道，早在1999年，哈佛大學的研究人員就已經使光速減慢到每秒17米。他們利用磁場讓一小團冷卻至玻色—愛因斯坦凝聚態的原子雲懸浮在真空腔內，然後讓一束光透過原子雲，便觀測到了光速大大降低的現象。
此後，該團隊不斷調整自己的系統，在2001年的實驗中，他們將一束光儲存在另一束鐳射“傳送帶”上，成功做到了讓光“止步不前”，並且沒有摧毀光子或者擾亂它們的量子態。與此同時，另一個來自哈佛—史密森天體物理中心的團隊藉助超冷鈉原子來儲存並釋放光能，也達到了同樣的目的。不過，這兩項實驗都只讓光的腳步停頓了幾千分之一秒。而只有讓這一時長達到秒級以上，才可能找到一種方法將光能相干儲存在一個穩定的介質中，就像將電能儲存在電容器或電池中一樣。
今年年初，美國佐治亞理工學院的研究小組獲得新的突破，他們讓一束光停留了16秒的時間。但研究人員同時承認，要想構建洲際量子資訊網路，儲存光的時長至少需以分鐘計而非秒計。
到了7月，“分鐘屏障”被德國達姆施塔特大學的研究人員打破。他們用一種更為穩定的介質來取代由電磁場保持的超冷原子雲，這種介質是一種不透明的晶體，但鐳射照射可暫時將其變得透明，而光就在這種晶體中靜止了60秒。
“一分鐘非常非常長。這的確是一個重要的里程碑。”《新科學家》雜誌援引英國聖安德魯斯大學微光子學專家托馬斯·克勞斯的話說。
光是被這樣“封凍”起來的
德國研究人員選擇的是低溫下摻有鐠的矽酸釔不透明晶體，其擁有一種特性——電磁誘導透明效應，有此效應的介質不會吸收某特定頻率的光，也就是說，該介質在這一頻率的光下是透明的。
他們將一束控制鐳射射向晶體，觸發晶體內部量子級別的反應，使晶體變得透明。隨後，他們用第二束光（可用於儲存資料/影象，實驗中儲存的是一幅由3條橫線構成的簡單圖片）照射透明的晶體，接著關閉控制鐳射束，讓晶體變回不透明狀。這不僅使第二束光被捕獲在晶體中，而且由於晶體不透明，第二束光無法發生折射，也就是說，這束光線的傳播停止了。
由於無路可走，被俘光子的能量被晶體中的其他原子吸收，而光子攜帶的圖片資訊也轉化成了原子自旋激發。接下來，研究人員重新開啟控制鐳射束，將被捕獲在晶體中的光線重新釋放出來，原子自旋激發（即圖片資訊）也就重新釋放給光子。這些原子自旋激發可以保持相干性（資料完整性）的時間為一分鐘左右，之後釋放出的光脈衝（或儲存在上面的圖片）就失真了。
光儲存由此成為可能
從本質上說，這項成果使光儲存成為可能，即光線有望作為儲存和恢復資料的介質。量子計算機可以利用單個原子的量子態來儲存資料，但原子的量子相干性很容易受到背景噪音的干擾，而用光子的量子態，也就是用一束光的電磁場來儲存資料，會使透過光纖網路傳輸量子編碼的資料更加容易，從而為遠端量子通訊網路的建立提供保障。更讓人期待的是，這項研究或許也可以給探索如何讓光加速提供思路。
德國研究團隊表示，此次所用晶體材料的潛力已經發揮到了極限，如果改用其他材料，比如摻有銪的矽酸釔，再加上特定的磁場，資料儲存的時間將有可能延長得更久。但要將這項技術運用到現實世界中的計算機上，還需找到一種在室溫下低噪音儲存和傳輸光的方法。
德科學家成功讓光在晶體中停留60秒
來源：科技日報
作者：陳丹 綜合外電
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