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抓住光线:让它静止在路上

作者: admin 来源: 未知

学校里,我们被告知光速是一个通用常数;长大后,我们又知道光在通过诸如水和玻璃等介质时速度会变慢。最近,我们甚至发现,光实际上是可以原地静止的。

事实上,很久以前,人们让这个幻想在一个遥远的星系实现了。在最近一部《星球大战》的一个场景中,Kylo Ren停止使用原力爆破脉冲,这种脉冲能够在半空中中凝固并发光。在最近发表于《自然·物理学》(Nature Physics)的论文中,我们利用一种不同的方式冻结了激光脉冲——将光封闭在冷的铷原子群中。

铷和其他一些类似的原子曾经被用于减慢和储存光线,甚至将其捕捉。这些系统会通过一种可控的方式吸收和重新发射激光,进而发挥其作用。

但是我们发现了一个捕捉光线的新方法:用光在原子中写出一个特殊的“形状”。当光重新发射出来,就会被原子捕获。当我们寻找到激光的正确频率和方向,实验就会更加直观,而这恰恰是难点所在!

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真空室内的铷原子团被用来让光静止

 

相拥着纠缠

为什么要做这项工作?我们之所以致力于捕捉光线,是因为我们的终极目标是让单个光粒子(光子)之间相互作用。通过这种直接的相互作用,光子之间会发生纠缠。当这种相互作用被放大到更多光子之间,我们就能够在理论上为高能量子计算提供复杂的必要信息。

不幸的是,光子之间的相互作用微乎其微,但是,如果他们能通过被限制在一个足够长的特殊材料中来将这些作用扩大到一个可供观察的水平,那么光子之间的相互作用就更强了。事实上,这些类型的相互作用已经由世界各地的多个研究小组演示过了,他们通常利用原子云来限制光线。但是,在下文中,我们的光线静止系统就在光子相互作用时有了用武之地。

光线开关

量子计算是一个激动人心且发展迅猛的研究领域,我们的团队隶属于澳大利亚量子计算及通信技术研究委员会中心(Australian Research Council’s Centre for Quantum Computation and Communication Technology)。这里有不同的具备潜力的量子计算平台,例如,该中心的UNSW团队就曾将磷原子嵌入硅制芯片来进行量子计算。

但是,我们的课题组之所以主要研究光,不仅是因为光在量子计算中所扮演的角色举足轻重,还因为它为我们带来了电脑之内及电脑之间的量子信息——这和原子流、电流这些很容易受到磁场和电场干扰的信息不同。利用光进行量子计算也是可能的,这个设想也促使我们进行光线静止的研究。

我们的团队不仅能够在相同的系统中检索光的脉冲,还能演示量子计算。不仅如此,我们还可以展示这些光脉冲下编码的量子信息——这意味着它能够形成基础的计算记忆。

然而,这些相互作用是远远不够的,因为光线因完全被原子吸收而再也无法相互作用,那么我们反而需要在原子记忆中捕获光线,而不仅仅去储存它。

在研究如何利用原子记忆捕获光线的同时发现利用计算机模拟写入原子记忆的特殊形状能够获得静止的光。若同时从两个方向发光,这些光线就能够被原子捕获而形成记忆,而这些光从记忆中被重新释放出来,就会在记忆的最后相互干扰,最终无法逃脱。

这个模拟也能够预测出其他有趣的行为如果光线刻画出错误的形状一些光线就会逃脱,但原子记忆会快速在光线被捕获的地方形成新的形状。这有利于将静止的光线变得更加强健,却也可以影响其他光学处理过程。

我们可以实验性地利用原子记忆演示所有行为。与Kylo Ren的冷冻冲击波不同,这个方法无法直接看到静止的光(如果想要看到,光子必须从物体照到我们的眼睛,但这些光子是不会这样走的),事实上,是系统行为与我们的预测相符,因此我们能够肯定,光的确是被静止了。

光线起初被一个简单的系统捕获。我们坚信这不仅是最有说服力的实验,还相信固定的光具有不同的行为,而这些使我们的系统更加新颖和有趣。我们相信,光的这些新行为,包括光能够更自由地通过原子记忆,会产生更强的非线性相互作用。

这个实验只是可视化量子计算漫漫长路上的一步。接下来,我们要证明量子的确可以在系统中相互作用。从长远看,我们希望这些实验结果能够用来设计出一套设备为我们所用,并用于其他研究,为可视化量子计算机提供必须的纠缠光子之间的复杂数据。

https://theconversation.com/hold-it-right-there-how-and-why-to-stop-light-in-its-tracks-66210 


 

翻译:邵楠 审校:林清


关于我

Jesse Everett

Jesse Everett澳大利亚国立大学博士生