他们真的抓住了光,还储存了起来!一场伟大的变革或将到来

2022年07月01日00:58:07 科学 1690

他们真的抓住了光,还储存了起来!一场伟大的变革或将到来

众所周知,光的传播速度非常快,能够以300000km/秒左右的速度进行传播,放眼整个地球,几乎找不出比光速更快的事物。

正因如此,人们对光速充满了幻想,有人认为超越光速就能回到过去,也有人认为超越光速就能穿越平行宇宙,就连一些粒子实验,也会让几个粒子以最快的速度撞击。

要想进一步观察“光”的秘密,就需要极快的速度,要么和他保持相近速度,要么超越光速,这也正是科学家们不断努力的方向,经过我国光储存领域专家的长期奋斗,“捕捉光”的事情,终于有了眉目。

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光作为一种传递热量和能量的存在,拥有极快的速度,科学家正是抓住这一点,希望能对光进行捕捉和储存,从而利用光速,传递人类的各种信息,于是在他们的周密部署下,光纤出现了。

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  • 光纤

我们常常会听到“光纤”这个词,但是很少有人去了解光纤的秘密,它作为一种玻璃或塑料制成的纤维,也被人们称为光导纤维,可以当作光传导的工具。

光纤的工作原理非常简单,终点利用了光的全反射性质,当光线射到内芯和外层界面的角度,大于全反射的临界角时,光线就无法透过界面,反而会在光纤内部四处反射。

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简言之,光导纤维使用了两组折射率不同的玻璃,并且利用玻璃和光之间的角度,达到“全反射”的效果。

这其实就是对光进行“捕捉”和“储存”的过程,只不过在这个过程中,光线仍旧会以极快的速度运转,而不是被动的“封存”在光纤内部,那么,我们该怎样做,才能将真正的“储存”起来呢?

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  • 光的储存

首先,我们必须先明白一件事,光是很难进行捕捉和储存的,我们要想对光进行存储,必须保证它的性质不会发生剧烈的变化。

举个简单的例子,我们都知道“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增加或减少,利用这个原理,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,自此诞生了0和1的信号。

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这个信号作为通讯信号,被我们人类大量使用,我们的网络就是基于电子这样的运动信号构建起来的。

但是光的量子和电子是完全不同的,对光量子进行捕获和利用,除了要考虑它们能量大小的区别,还要考虑光量子的变化区间,一旦光量子的相位变化超出人为设定的区间,我们就无法读取到其中储存的信息。

所以,在储存的光的过程中,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,储存光量子,比储存电子困难的多。

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  • 光储存原理

早在20世纪80到90年代,有关于光学的理论就已经出现了苗头,经过长期发展和探索,科学家们提出了“电磁诱导透明效应”理论(Electromagnetically Induced Transparency)。

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率的光束,当第二束光照在这个微小介质上的时候,它就会拼命去吸收第二束光,反而放弃对第一束频率光的吸收,这个理论就为光的储存方法打下了基础。

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依照这个理论,我们要想实现对光的储存,必须满足两个条件:首先,需要有两束频率和相位锁定的光源,其中一束为较强的控制性光源,另一束为较弱的信号光源;其次,这两束光与三能级原子介质相互作用,可以令两束光子同时共振。

只要这两点能够达成,科学家就能通过控制光源,操控光的速度,令光速逐渐放缓。

在光速放缓的前提下,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,被减缓的光速可以趋于“停滞”,甚至无限接近于0。

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如果这个速度真的可以实现,那我们人类的速度,将超越被放缓的“光速”,这种状态下,我们可以轻而易举的将光储存下来。

尽管储存光的理论已经成立,模型的演绎也证明了相关的结果,但是我们当前的科学水平还有很长一段路要走,大量的工程难题尚待解决。

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  • 光储存介质

储存光并不是一件简单的事,要想将光线真正储存下来,我们必须选取适用的材料。

2001年,哈佛大学的物理实验小组Hau,选用下纳冷原子作为介质,实现了光脉冲信号的读写,但是光储存时间仅有1毫秒。

2003年,哈佛大学的Lukin小组在此基础上,经过长期的改良和实验,实现了800毫秒的光存储和释放,只不过这几百毫秒太过短暂,完全无法证明实验的成功性。

到了2005年,澳洲科学家利用掺镨硅酸钇晶体固体材料的介质,实现了1秒钟的光储存,德国达姆施塔特大学的科研人员在这个基础上改良,终于在2013年实现了1分钟的光信息储存。

我国也有相应的例子,2015年,中科大教授李传峰周宗权的实验团队经过大量测试,发现了稀土离子的特殊结构,这种结构非常少见,能够很好的应用于光储存领域和量子储存领域。

于是在17种稀土金属中,他们千挑万选,决定用铕元素金属作为晶体中的掺杂离子,在他们的严格把控下,创造了一个小时的光储存时间。

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按照李传锋教授的估算,随着实验的不断精进,这个储存时长也会随之增加,理论上可以储存一个月左右。

在我国科学家的实验长期实验下,光储存的总时长达到了1小时,而且存储保真度也达到了96.4±2.5%的水平,这就为大型量子网络的搭建奠定了相应的基础。

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储存光的意义

很多人都对光储存充满质疑,认为这是一件毫无意义的事情,但实际上,光储存在量子通信中发挥着非常大的作用,光纤传播往往会伴随着指数级的分子消耗,因此,光纤传播的距离往往会被限制在一定的范围内。

但是通过对光的储存,我们可以建立量子中继器,从而克服光纤传播的损耗,如果我们在量子中继卫星中搭载了光储存技术,那么在一个小时的时间内,可以创造覆盖全球的量子信息,进而搭建远距离的量子通信网络。

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结语

“光”是我们日常生活中的一部分,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完善,人类成功将光储存起来,是科技发展的一个节点,也是科技再度进步的新开始。

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