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

2022年07月01日00:58:07 科學 1690

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。

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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。

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  • 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。

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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?

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  • 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。

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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。

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  • 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。

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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。

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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。

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  • 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。

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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。

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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。

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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。

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