他們真的抓住了光，還儲存了起來！一場偉大的變革或將到來

他們真的抓住了光，還儲存了起來！一場偉大的變革或將到來

眾所周知，光的傳播速度非常快，能夠以300000km/秒左右的速度進行傳播，放眼整個地球，幾乎找不出比光速更快的事物。

正因如此，人們對光速充滿了幻想，有人認為超越光速就能回到過去，也有人認為超越光速就能穿越平行宇宙，就連一些粒子實驗，也會讓幾個粒子以最快的速度撞擊。

要想進一步觀察「光」的秘密，就需要極快的速度，要麼和他保持相近速度，要麼超越光速，這也正是科學家們不斷努力的方向，經過我國光儲存領域專家的長期奮鬥，「捕捉光」的事情，終於有了眉目。

光作為一種傳遞熱量和能量的存在，擁有極快的速度，科學家正是抓住這一點，希望能對光進行捕捉和儲存，從而利用光速，傳遞人類的各種信息，於是在他們的周密部署下，光纖出現了。

• 光纖

我們常常會聽到「光纖」這個詞，但是很少有人去了解光纖的秘密，它作為一種玻璃或塑料製成的纖維，也被人們稱為光導纖維，可以當作光傳導的工具。

光纖的工作原理非常簡單，終點利用了光的全反射性質，當光線射到內芯和外層界面的角度，大於全反射的臨界角時，光線就無法透過界面，反而會在光纖內部四處反射。

簡言之，光導纖維使用了兩組折射率不同的玻璃，並且利用玻璃和光之間的角度，達到「全反射」的效果。

這其實就是對光進行「捕捉」和「儲存」的過程，只不過在這個過程中，光線仍舊會以極快的速度運轉，而不是被動的「封存」在光纖內部，那麼，我們該怎樣做，才能將真正的「儲存」起來呢？

• 光的儲存

首先，我們必須先明白一件事，光是很難進行捕捉和儲存的，我們要想對光進行存儲，必須保證它的性質不會發生劇烈的變化。

舉個簡單的例子，我們都知道「電子」這種微小的粒子在運動的過程中，會伴隨的能量的變化增加或減少，利用這個原理，科學家和工程師們搭建了集成電路，成功控制了電能的運動方向，自此誕生了0和1的信號。

這個信號作為通訊信號，被我們人類大量使用，我們的網路就是基於電子這樣的運動信號構建起來的。

但是光的量子和電子是完全不同的，對光量子進行捕獲和利用，除了要考慮它們能量大小的區別，還要考慮光量子的變化區間，一旦光量子的相位變化超出人為設定的區間，我們就無法讀取到其中儲存的信息。

所以，在儲存的光的過程中，我們必須對這個變化區間嚴加把控，盡量讓光量子保持在我們的可控區間之內，從這個角度來講，儲存光量子，比儲存電子困難的多。

• 光儲存原理

早在20世紀80到90年代，有關於光學的理論就已經出現了苗頭，經過長期發展和探索，科學家們提出了「電磁誘導透明效應」理論（Electromagnetically Induced Transparency）。

這個理論可以簡單理解為：一個微小介質率先吸收了某一頻率的光束，當第二束光照在這個微小介質上的時候，它就會拚命去吸收第二束光，反而放棄對第一束頻率光的吸收，這個理論就為光的儲存方法打下了基礎。

依照這個理論，我們要想實現對光的儲存，必須滿足兩個條件：首先，需要有兩束頻率和相位鎖定的光源，其中一束為較強的控制性光源，另一束為較弱的信號光源；其次，這兩束光與三能級原子介質相互作用，可以令兩束光子同時共振。

只要這兩點能夠達成，科學家就能通過控制光源，操控光的速度，令光速逐漸放緩。

在光速放緩的前提下，科學家們製造了一種理論模型——暗態極子化模型，在這個模型的推演過程中，被減緩的光速可以趨於「停滯」，甚至無限接近於0。

如果這個速度真的可以實現，那我們人類的速度，將超越被放緩的「光速」，這種狀態下，我們可以輕而易舉的將光儲存下來。

儘管儲存光的理論已經成立，模型的演繹也證明了相關的結果，但是我們當前的科學水平還有很長一段路要走，大量的工程難題尚待解決。

• 光儲存介質

儲存光並不是一件簡單的事，要想將光線真正儲存下來，我們必須選取適用的材料。

2001年，哈佛大學的物理實驗小組Hau，選用下納冷原子作為介質，實現了光脈衝信號的讀寫，但是光儲存時間僅有1毫秒。

2003年，哈佛大學的Lukin小組在此基礎上，經過長期的改良和實驗，實現了800毫秒的光存儲和釋放，只不過這幾百毫秒太過短暫，完全無法證明實驗的成功性。

到了2005年，澳洲科學家利用摻鐠硅酸釔晶體固體材料的介質，實現了1秒鐘的光儲存，德國達姆施塔特大學的科研人員在這個基礎上改良，終於在2013年實現了1分鐘的光信息儲存。

我國也有相應的例子，2015年，中科大教授李傳峰和周宗權的實驗團隊經過大量測試，發現了稀土離子的特殊結構，這種結構非常少見，能夠很好的應用於光儲存領域和量子儲存領域。

於是在17種稀土金屬中，他們千挑萬選，決定用銪元素金屬作為晶體中的摻雜離子，在他們的嚴格把控下，創造了一個小時的光儲存時間。

按照李傳鋒教授的估算，隨著實驗的不斷精進，這個儲存時長也會隨之增加，理論上可以儲存一個月左右。

在我國科學家的實驗長期實驗下，光儲存的總時長達到了1小時，而且存儲保真度也達到了96.4±2.5%的水平，這就為大型量子網路的搭建奠定了相應的基礎。

儲存光的意義

很多人都對光儲存充滿質疑，認為這是一件毫無意義的事情，但實際上，光儲存在量子通信中發揮著非常大的作用，光纖傳播往往會伴隨著指數級的分子消耗，因此，光纖傳播的距離往往會被限制在一定的範圍內。

但是通過對光的儲存，我們可以建立量子中繼器，從而克服光纖傳播的損耗，如果我們在量子中繼衛星中搭載了光儲存技術，那麼在一個小時的時間內，可以創造覆蓋全球的量子信息，進而搭建遠距離的量子通信網路。

結語

「光」是我們日常生活中的一部分，也是大自然取之無盡的豐富寶藏，隨著科技的發展，我們對光能的使用會越來越多，相關的基礎研究也會越來越完善，人類成功將光儲存起來，是科技發展的一個節點，也是科技再度進步的新開始。