互动科普

一项实验绝技使光脉冲被“冻”住了。

光的速度是最快的。事实上，“光速”是宇宙终极速度的同义词。然而，光在通过某些物质时，其速度也会减慢，例如，玻璃或光纤就能使通过它的光的速度降低到其最高速度的70％左右，尽管如此，此时的光仍能每秒绕地球运行5周。两年半以前，几位物理学家通过实践证明，一种特制气体能够使光速降低至原来的2000万分之一——只有一辆超速行驶的自行车那么快。如今，两个研究小组实际上已利用这种气体系统使光完全静止不动，然后又能通过一定控制手段使之恢复正常传播速度。这一方法可能具有从原子能的极精确测定到量子计算等多种用途。 

由LeneV．Hall领导的在马萨诸塞州剑桥市的罗兰科学研究所和哈佛大学的研究小组，利用冷却到离绝对零度不到1微开氏度的一小团钠原子云完成了上述实验。由哈佛史密森天体物理学中心剑桥市的Ronald L. Walsworth和Mikhail D．Lukin领导的另一个研究小组，利用一个4厘米长的铷蒸汽（几乎和沸水一样热)盒获得大致相同的结果。两个研究小组都采同样的两步法来冻结光的。 

在实验过程中，先用一台激光器将一束精确调谐的光脉冲送入气雾之中。通常情况下，气雾对该“信号”光就像一堵不透光的砖墙，并会将光完全吸收。然而，在上述慢光实验中，起“控制”作用的另一束激光被用来照射气雾，使之能被信号脉冲透过。20世纪90年代初期，斯坦福大学的Stephen E．Harris及其他研究人员率先实现了这一称为“电磁诱导透光”效应起控制作用的激光与气雾中的原子相互作用，并通过原子干涉过程使这些原子丧失吸收信号脉冲光子的能力。气雾的光学性能变化也大大放慢了信号脉冲的速度。两年以前，Hau和Harris及其同事就已用实验演示过这种慢速光。

和慢速光脉冲一起穿过气雾的是成一直线排列的原子微磁场的分布图。该磁场分布图能精确地模拟光脉冲的形成，原子极化与光的结合体称为“偏振子”当偏振子仍在气雾中传播时，关掉控制光束，就能实现这一实验过程的第二步——停止这一偏振子的运动。随着控制光束强度的减弱，剩余的信号光被吸收，而越来越强的原子偏振子则减速更甚。当控制光束的强度为零时，最后的一线信号光便消失在原子中。偏振子也就完全静止不动了。 

光脉冲的所有特性仍然编码在这一静止的统一体中。为了证明这一点，检验人员稍等了一会儿——虽然只是几分之一秒，但若按最初的光脉冲的时标计算，这个时间却是极长的。然后重新引入控制光束，于是，偏振子便被还原为光脉冲。现在它是缓慢地朝着气雾远端爬行，然后又迅速地穿过空气。

当然，光的存储和还原还未达到完美的程度。暂停的时间越长，输出光脉冲的质量就越差，带有偏振子的原子毕竟没有冻结在原位。扩散和碰撞不断分散和破坏着偏振子，而其速度在热气雾中更快。

上述实验过程实现了大规模量子信息处理(如量子计算机中所需要的)所必需的一种关键功能——快速运动的量子态(光脉冲)与静止状态(偏振子)之间的可靠的相互转换。然而，IBM公司的量计算专家David P．Divincenzo告诫说，慢光实验系统的其它方面不大适合于量子计算。他说，“还不能直接将它运用于量子计算机。”然面，他仍然说它是“美妙的研究，是朝着操纵量子系统这一目标迈出的非常积极的一步”。

【郑忆石／译  镣彬／校】

光脉冲（橙色)在人造的透光原子气体（蓝色）内被压缩和减速。此光脉冲可以作为原子磁场分布图被冻结在原位然后再还原成光脉冲。

细说光脉冲

脉宽10微秒的光脉冲在空气中有3000米长，而在此实验采用的冷气体内则被压缩为0.3毫米长。

通过改变读出激光束的应用方式，可使光脉冲以压缩或展宽的形态再生，或以多个拷贝的形式再生。

上述冷气体实验储存和还原的是全部光脉冲，而热气体实验只储存部分光脉冲。

冷气体中实现的储存时间较长，再稍冷一点的气体(玻色——爱因斯坦凝聚体)应能将光脉冲储存更长的时间。