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

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。

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。

• 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。

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？

• 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。

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。

• 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。

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。

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。

• 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，中科大教授李传峰和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。

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。

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。

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。