众所周知,光的传播速率十分快,才能以/秒左右的速率进行传播,放眼整个月球,几乎找不出比光速更快的事物。
正因这么,人们对光速饱含了幻想,有人觉得赶超光速才能回到过去,也有人觉得赶超光速才能穿越平行宇宙,就连一些粒子也能实验,也会让几个粒子以最快的速率撞击。
要想进一步观察“光”的秘密,就须要极快的速率,要么和他保持相仿的速率,要么赶超光速,这也正是科学家们不断努力的方向,经过我国光存储领域专家的常年拼搏,“捕捉光”的事情,总算有了眉宇。
光
光作为一种传递热量和能量的存在,拥有极快的速率,科学家正是捉住这一点,希望能对光进行捕捉和存储,因而借助光速,传递人类的各类信息,于是在她们的缜密布署下,光纤出现了。
我们经常会看到“光纤”这个词,并且极少有人去了解光纤的秘密,它作为一种玻璃或塑胶制成的纤维,也被人们称为光导纤维,可以当成光传导的工具。
光纤的工作原理十分简单,终点借助了光的全反射性质,当光线射到内芯和内层界面的角度,小于全反射的临界角时,光线就难以透过界面,反倒会在光纤内部到处反射。
简言之,光导纤维使用了两组折射率不同的玻璃,而且借助玻璃和光之间的角度,达到“全反射”的疗效。
这似乎就是对光进行“捕捉”和“储存”的过程,只不过在这个过程中,光线依然会以极快的速率运转,而不是被动的“封存”在光纤内部,这么,我们该怎么做,能够将真正的“储存”起来呢?
首先,我们必须先明白一件事,光是很难进行捕捉和存储的,我们要想对光进行储存,必须保证它的性质不会发生剧烈的变化。
举个简单的事例,我们都晓得“电子”这种微小的粒子在运动的过程中,会伴随的能量的变化降低或降低,借助这个原理,科学家和工程师们搭建了集成电路,成功控制了电能的运动方向,此后诞生了0和1的讯号。
这个讯号作为通信讯号,被我们人类大量使用,我们的网路就是基于电子这样的运动讯号建立上去的。
然而光的量子和电子是完全不同的,对光量子进行捕获和借助,不仅要考虑它们能量大小的区别,还要考虑光量子的变化区间,一但光量子的相位变化超出人为设定的区间,我们就没法读取到其中贮存的信息。
所以,在存储的光的过程中,我们必须对这个变化区间严加把控,尽量让光量子保持在我们的可控区间之内,从这个角度来讲,存储光量子,比存储电子困难的多。
早在20世纪80到90年代,有关于光学的理论就早已出现了端倪,经过常年发展和探求量子通讯储存,科学家们提出了“电磁诱导透明效应”理论()。
这个理论可以简单理解为:一个微小介质率先吸收了某一频度的光束,当第二束光照在这个微小介质上的时侯,它还会拚命去吸收第二束光,反倒舍弃对第一束频度光的吸收,这个理论就为光的存储方式打下了基础。
根据这个理论,我们要想实现对光的存储,必须满足两个条件:首先,须要有两束频度和相位锁定的光源,其中一束为较强的控制性光源,另一束为较弱的讯号光源;其次,这两束光与五级原子介质互相作用,可以令两束光子同时共振。
只要这两点才能达成,科学家能够通过控制光源,操控光的速率,令光速日渐走低。
在光速疲弱的前提下,科学家们制造了一种理论模型——暗态极子化模型,在这个模型的推演过程中,被减弱的光速可以趋向“停滞”,甚至无限接近于0。
假如这个速率真的可以实现,那我们人类的速率,将赶超被疲弱的“光速”,这些状态下,我们可以轻而易举地将光存储出来。
虽然存储光的理论早已组建,模型的诠释也证明了相关的结果,而且我们当前的科学水平还有很长一段路要走,大量的工程困局尚待解决。
存储光线并不是一件简单的事,要想将光线真正存储出来,我们必须选定适用的材料。
2001年,耶鲁学院的化学实验小组Hau,选用下纳冷原子作为介质,实现了光脉冲讯号的读写,而且光存储时间仅有1微秒。
2003年,耶鲁学院的Lukin小组在此基础上,经过常年的改良和实验,实现了800微秒的光储存和释放,只不过这几百微秒太过短暂,完全未能证明实验的成功性。
到了2005年,加拿大科学家借助掺入硅酸钇晶体固体材料的介质,实现了一秒钟的光存储,美国达姆施塔特学院的科研人员在这个基础上改良,总算在2013年实现了1分钟的光信息存储。
我国也有相应的事例,2015年,中科大院士李传峰和周宗权的实验团队经过大量测试,发觉了稀土离子的特殊结构,这些结构十分稀少,才能挺好的应用于光存储领域和量子存储领域。
于是在17种稀土金属中,她们千挑万选,决定用铬元素金属作为晶体中的参杂离子,在她们的严格把控下,创造了一个小时的光存储时间。
根据李传锋院士的计算,随着实验的不断精进,这个存储时长也会急剧降低,理论上可以存储一个月左右。
在我国科学家的实验常年实验下,光存储的总时长达到了1小时,并且储存保真度也达到了96.4±2.5%的水平,这就为小型量子网路的搭建奠定了相应的基础。
存储光的意义
好多人都对光存储饱含指责,觉得这是一件毫无意义的事情量子通讯储存,但实际上,光储存在量子通讯中发挥着十分大的作用,光纤传播常常会伴随着指数级的分子消耗,因而,光纤传播的距离常常会被限制在一定的范围内。
并且通过对光的存储,我们可以构建量子中继器,因而克服光纤传播的耗损,假如我们在量子中继卫星中搭载了光存储技术,这么在一个小时的时间内,可以创造覆盖全球的量子信息,从而搭建远距离的量子通讯网路。
结语
“光”是我们日常生活中的一部份,也是大自然取之无尽的丰富宝藏,随着科技的发展,我们对光能的使用会越来越多,相关的基础研究也会越来越建立,人类成功将光存储上去,是科技发展的一个节点,也是科技再次进步的新开始。