法國(guó)和奧地利的科學(xué)家首次將光在光纖中的傳播速度降低到接近靜止。該技術(shù)利用了原子氣云中產(chǎn)生的電磁感生透明效應(yīng)(EIT)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為如何在量子信息網(wǎng)絡(luò)中建立量子記憶提供了實(shí)際的解決方案。
圖1量子記憶：光纖中的慢光速可以存儲(chǔ)能量嗎
二十世紀(jì)末期，慢光學(xué)變成一項(xiàng)熱門(mén)研究。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束控制激光調(diào)諧到某一頻率時(shí)，原子氣體將被激發(fā)到一個(gè)能級(jí)上，此時(shí)，原子不吸收其他光信號(hào)，則原子氣體對(duì)信號(hào)透明。關(guān)閉控制激光，原子再次吸收光信號(hào)，則原子氣體對(duì)信號(hào)不透明。這是對(duì)EIT效應(yīng)的簡(jiǎn)單理解。
2001年，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光信號(hào)在原子氣體中，如果關(guān)閉控制激光，光信號(hào)將在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到靜止。而當(dāng)控制激光再次開(kāi)啟時(shí)，光信號(hào)將恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。
引人注目的整體現(xiàn)象
技術(shù)上講，減慢的不是光子的速度而是光波包絡(luò)的速度，即群速度。盡管如此，慢光學(xué)對(duì)于量子網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)仍吸引了廣泛的注意。利用量子網(wǎng)絡(luò)傳播信息可以從本質(zhì)上防止竊聽(tīng)，量子信息在被檢測(cè)到的瞬間就會(huì)消失，因此量子記憶并不能讀取所存儲(chǔ)的信息。減慢量子信息的載體，光的速度是一個(gè)理想的解決方案。
圖1量子記憶：光纖中的慢光速可以存儲(chǔ)能量嗎
然而，無(wú)論是量子還是傳統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，光都不是在自由空間傳播的。因此，巴黎的JulienLaurat團(tuán)隊(duì)決定測(cè)試慢速光是否可以在光纖中傳播。使用光纖將使得量子記憶與現(xiàn)有的光學(xué)信息技術(shù)相融合。此外，利用光纖傳輸慢速光可以避免由鏡片、透鏡以及其他光學(xué)元件帶來(lái)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
光纖中光速減慢實(shí)驗(yàn)
JulienLaurat團(tuán)隊(duì)將光纖拉長(zhǎng)，直到其直徑小于半個(gè)微米。然后將這段細(xì)光纖插入真空腔內(nèi)，真空腔內(nèi)有大約2000個(gè)激光冷卻的銫原子。另一束激光控制銫原子對(duì)光信號(hào)的透明或不透明狀態(tài)。
決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素是光纖的直徑。由于其比波導(dǎo)光的波長(zhǎng)短，約40%的
能量將在光纖外的倏逝場(chǎng)中消散。通過(guò)與倏逝場(chǎng)的作用，原子可以使光速靜止幾微秒，雖然原子并不存在光纖內(nèi)。
科學(xué)家MikhailLukin評(píng)論說(shuō)，“要使得量子記憶得到發(fā)展并實(shí)用化，需要結(jié)合幾個(gè)之前證明的現(xiàn)象和技術(shù)。”
碩果累累的基礎(chǔ)理論研究
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員之一AnilPatnaik說(shuō)：“以前的理論有了新成果，十分令人激動(dòng)。這項(xiàng)研究十分具有挑戰(zhàn)性，但一切都值得。我仍記得當(dāng)我的計(jì)算值顯示約有50%的能量可以用于倏逝場(chǎng)與光纖外的介質(zhì)耦合時(shí)我激動(dòng)的心情。”
維也納大學(xué)的研究者們利用相似的實(shí)驗(yàn)得出了相似的結(jié)論。他們利用了偶極子阱，這需要引入另一束激光。原則上，偶極子阱應(yīng)該提升原子的“光學(xué)深度”，或它們吸收光的能力——這將決定量子記憶讀寫(xiě)信息的好壞。而實(shí)際上，Laurat團(tuán)隊(duì)得到了一致的光學(xué)深度：約等于2。“增加光學(xué)深度是十分重要的方向，”Laurat說(shuō)。
IanWalmsley評(píng)論說(shuō)這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)量子記憶的發(fā)展是重要的一步。他補(bǔ)充說(shuō)這個(gè)新的機(jī)制非常有前景，下一步應(yīng)該是測(cè)試噪聲水平和存儲(chǔ)真實(shí)的單光子態(tài)，此后才是為應(yīng)用做好準(zhǔn)備。
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