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原子气云将光纤中光速减慢

导读: 法国和奥地利的科学家首次将光在光纤中的传播速度降低到接近静止。该技术利用了原子气云中产生的电磁感生透明效应(EIT)。

  法国和奥地利的科学家首次将光在光纤中的传播速度降低到接近静止。该技术利用了原子气云中产生的电磁感生透明效应(EIT)。这项发现为如何在量子信息网络中建立量子记忆提供了实际的解决方案。

  量子记忆:光纤中的慢光速可以存储能量吗?

  二十世纪末期,慢光学变成一项热门研究。当时,科学家们发现,当一束控制激光调谐到某一频率时,原子气体将被激发到一个能级上,此时,原子不吸收其他光信号,则原子气体对信号透明。关闭控制激光,原子再次吸收光信号,则原子气体对信号不透明。这是对EIT效应的简单理解。

  2001年,研究人员发现,当光信号在原子气体中,如果关闭控制激光,光信号将在极短时间内达到静止。而当控制激光再次开启时,光信号将恢复原来的状态。

  引人注目的整体现象

  技术上讲,减慢的不是光子的速度而是光波包络的速度,即群速度。尽管如此,慢光学对于量子网络开发吸引了广泛的注意。利用量子网络传播信息可以从本质上防止窃听,量子信息在被检测到的瞬间就会消失,因此量子记忆并不能读取所存储的信息。减慢量子信息的载体,光的速度是一个理想的解决方案。

  然而,无论是量子还是传统的通讯网络,光都不是在自由空间传播的。因此,巴黎的Julien Laurat团队决定测试慢速光是否可以在光纤中传播。使用光纤将使得量子记忆与现有的光学信息技术相融合。此外,利用光纤传输慢速光可以避免由镜片、透镜以及其他光学元件带来光学系统的复杂性。

  光纤中光速减慢实验

  Julien Laurat团队将光纤拉长,直到其直径小于半个微米。然后将这段细光纤插入真空腔内,真空腔内有大约2000个激光冷却的铯原子。另一束激光控制铯原子对光信号的透明或不透明状态。

  决定实验成败的关键因素是光纤的直径。由于其比波导光的波长短,约40%的能量将在光纤外的倏逝场中消散。通过与倏逝场的作用,原子可以使光速静止几微秒,虽然原子并不存在光纤内。

  科学家Mikhail Lukin评论说,“要使得量子记忆得到发展并实用化,需要结合几个之前证明的现象和技术。”

  基础理论研究

  实验团队成员之一Anil Patnaik说:“以前的理论有了新成果,十分令人激动。这项研究十分具有挑战性,但一切都值得。我仍记得当我的计算值显示约有50%的能量可以用于倏逝场与光纤外的介质耦合时我激动的心情。”

  维也纳大学的研究者们利用相似的实验得出了相似的结论。他们利用了偶极子阱,这需要引入另一束激光。原则上,偶极子阱应该提升原子的“光学深度”,或它们吸收光的能力——这将决定量子记忆读写信息的好坏。而实际上,Laurat团队得到了一致的光学深度:约等于2。“增加光学深度是十分重要的方向,”Laurat说。

  Ian Walmsley评论说这个实验研究对量子记忆的发展是重要的一步。他补充说这个新的机制非常有前景,下一步应该是测试噪声水平和存储真实的单光子态,此后才是为应用做好准备。

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