如何“留住光”

劉曉英　阮文琳　張育新

我們可以握住沙、觸摸水，甚至將氣體裝入玻璃瓶?jī)?nèi)，而光就像時(shí)間，轉(zhuǎn)瞬即逝，我們看得見(jiàn)它卻摸不著，那要如何才能把它“留下”呢？

光是一種處于特定頻段的光子流，以電磁波的形式直線傳播，其本質(zhì)是交互變換的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又反過(guò)來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)，這樣就會(huì)形成電磁波。我們平時(shí)所看到的五顏六色的光其實(shí)就是不同波長(zhǎng)所帶來(lái)的顏色差異。

愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論也對(duì)光的傳播有所描述：光子一旦產(chǎn)生就會(huì)以光速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈冹o止時(shí)質(zhì)量為零，所以當(dāng)光子穿過(guò)量子場(chǎng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生相互作用。也就是說(shuō)，光的傳播不需要能量，一經(jīng)產(chǎn)生，就能夠以光速永遠(yuǎn)地傳播下去。那么對(duì)于這樣快速運(yùn)動(dòng)，無(wú)法觸碰的東西，我們是否真的能夠“留下”它呢？光的傳播速度非?？?，它在真空中的速度高達(dá)3×108m/s，在空氣中由于氣體微粒等介質(zhì)的存在，傳播速度會(huì)稍慢些，而在折射率更大的介質(zhì)中，傳播速度還會(huì)更慢?？茖W(xué)家們正是利用光傳播中的這一特性，通過(guò)降低光的傳播速度，讓光先“慢下來(lái)”，然后使用一種特殊的物質(zhì)讓它“留下來(lái)”。

通常的光子運(yùn)輸就像鐵路運(yùn)輸一樣，光纖網(wǎng)絡(luò)就像一條條縱橫交錯(cuò)的鐵道，而量子中繼器就是其中負(fù)責(zé)集合和分配的中轉(zhuǎn)站，以此來(lái)構(gòu)建一個(gè)龐大的“光子運(yùn)輸系統(tǒng)”，即量子網(wǎng)絡(luò)。而由于一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題，“鐵路”的長(zhǎng)度受到一定限制，因此“中轉(zhuǎn)站”之間的遠(yuǎn)距離連接也成為一大挑戰(zhàn)。

仔細(xì)想想看，當(dāng)我們?cè)谶x擇鐵路這種出行方式受限時(shí)，就會(huì)選擇乘坐飛機(jī)，其實(shí)光子也是同樣，這也是我們要“留住光”的意義所在?！傲糇」狻蹦軌?qū)崿F(xiàn)光的量子U盤，也就是將光子保存起來(lái)，像把它儲(chǔ)存在U盤里，通過(guò)運(yùn)輸U(kuò)盤來(lái)傳輸量子信息，因此不用再去建立“中轉(zhuǎn)站”——量子中繼器，可以脫離“光子運(yùn)輸系統(tǒng)”，把單個(gè)光子的量子態(tài)放到存儲(chǔ)器里面。只要存儲(chǔ)器壽命夠長(zhǎng)，它就可以像一個(gè)乘坐飛機(jī)的經(jīng)典U盤一樣，想去哪里就可以飛到哪里。這種“封閉式運(yùn)輸”的方式無(wú)疑提高了運(yùn)輸過(guò)程的私密性和安全性，量子通信相比于經(jīng)典通信主要的優(yōu)勢(shì)就在于安全性，它更大的價(jià)值會(huì)體現(xiàn)在類似政府或軍事等信息傳遞上對(duì)安全性要求更高的領(lǐng)域。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦院士團(tuán)隊(duì)就在“留住光”這項(xiàng)工作上取得了重大進(jìn)步。這些科研人員將光“封印”在一個(gè)僅5毫米厚的特殊晶體中長(zhǎng)達(dá)1個(gè)小時(shí)，大幅度刷新了八年前的德國(guó)科學(xué)家們所創(chuàng)造的1分鐘的記錄。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，光的傳輸速度被下調(diào)了幾十萬(wàn)倍，因?yàn)楣馑僮兟?，所?00米長(zhǎng)的光脈沖等效空間長(zhǎng)度也被壓窄了，相當(dāng)于光更容易被“捕捉”了。

許多科學(xué)家都曾做過(guò)“留住光”的實(shí)驗(yàn)，他們大都使用了一種叫作Eu：YSiO或Pr：YSiO的晶體來(lái)“留住光”，這種晶體是指摻雜Eu（銪離子）或Pr（鐠離子）的YSiO（硅酸釔）晶體，這兩種元素包括Y（釔）都是稀土元素，它的得名是因?yàn)槿鸬淇茖W(xué)家在提取稀土元素時(shí)應(yīng)用了稀土化合物，所以得名稀土元素。大多數(shù)稀土元素呈現(xiàn)順磁性，是指這種物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)呈現(xiàn)出較弱的磁性，且通常有較高的硬度，所以稀土元素在電子等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

這種晶體有什么特別之處呢？

摻雜了Eu或Pr的YSiO晶體主體是SiO（二氧化硅），它是一種神奇的物質(zhì)。在SiO晶體中，硅原子位于正四面體的中心，四個(gè)氧原子位于正四面體的四個(gè)頂角上，許多個(gè)這樣的四面體又通過(guò)頂角的氧原子相連，每個(gè)氧原子為兩個(gè)四面體共有，也就是說(shuō)每個(gè)氧原子都與兩個(gè)硅原子相結(jié)合，最終呈現(xiàn)出這樣一個(gè)堅(jiān)硬的晶體結(jié)構(gòu)。

基于此，YSiO呈現(xiàn)出表面疏松多孔的形貌，當(dāng)光子傳到晶體中時(shí)，其中的原子就會(huì)像漁網(wǎng)一樣把光子給捕捉住，它們?cè)诰w里的原子之間來(lái)回碰撞震蕩，由于原子在晶體中的排列，所以光子也無(wú)法離開(kāi)晶格，于是光子就這樣被牢牢地抓在晶體里，光也就被“留下來(lái)”了。

SiO2晶體的原子排列

“乘坐飛機(jī)”的不只是一束光而已，看似簡(jiǎn)單，里面卻富含了許多信息，一片小小的晶體能夠“留住光”，還要同時(shí)儲(chǔ)存光中的海量信息?！傲糇」狻睂?shí)驗(yàn)的成功實(shí)踐，既不是意外也不是巧合，而是我國(guó)的科學(xué)家們經(jīng)過(guò)反反復(fù)復(fù)地試驗(yàn)，用汗水和辛勤一點(diǎn)一滴澆灌出的成功花朵。

此次實(shí)踐不僅大幅度刷新了以往的紀(jì)錄，更是我國(guó)在技術(shù)和創(chuàng)新上的一大重要進(jìn)步，這會(huì)為我國(guó)在通信、電子技術(shù)、政府軍事等多個(gè)方面帶來(lái)十分向好的發(fā)展。相信在未來(lái)會(huì)有更多科學(xué)家們成長(zhǎng)起來(lái)，給中國(guó)和世界帶來(lái)更多改變！