互动科普

冻结的光

使光束的速度放慢直至停下来可能为崭新的光学通信技术、桌面黑洞及量子计算机等开辟道路。

Lene Vestergaard Hau（哈佛大学物理学教授）

人人都知道光速是宇宙的不可动摇的性质之一。因此，毋庸奇怪，旨在根本改变光速的实验需要一批非同小可的实验设备并付出艰苦的努力。进行这样一项实验首先要求对实验装置进行精心的调节和优化，然后需要长时间地耐心收集实验数据以获得一组稳定的测量结果，在马萨诸塞州坎布里奇的Rowland科学研究所，我们进行了使光速减慢的独创实验，这些实验通常每一次要持续不断地进行27小时。我们不能中断实验去吃饭，因此学会了如何用一只手稳稳地拿着块皮扎饼，腾出另一只手击把光学器件台上的反射镜移进移出，以便不错过每一轮实验的关键阶段中那完全暗黑的38秒钟。

我们的目标是大大降低光的速度。光在真空中行进的速度（每秒30万公里）是宇宙的速度极限。1998年3月，我们观察到了光脉冲速度放慢的第一个证据。这一证据出现在凌晨时分（早上4点钟左右）变验物理学中的许多现象往往都是在这段时间中观察到的，因为实验人员可能要花许多个钟头的时间才能把所有的元件调整好使其开始协调运行。到当年7月．我们已经把光速降到了飞机的速度。而此时我必须动身前往哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所去给一个班上课。我记得我坐在飞机上想象着我现在飞得“比光还快”这一奇异的情景——如果我和一个放慢了的光脉冲同时向丹麦行进的话，我将比光脉冲早到整整1个钟头。

不消说，在哥本哈根的那一个星期里我成天马不停蹄地拼命工作，因为我急于早点返回坎布里奇继续进行降低光速的实验。到下一个月时，我们已把光速降低到每小时60公里，此时我们认定该是公布此项成果的时候了。在公布这些结果之前，我们从此项艰巨的实验中获得的真正回报就是半夜三更坐在实验室里欣赏着缓慢前进的光束——我们知道自己有幸在世界上首次看到光束行进得如此之慢，以致骑自行车都能追过它。

去年晚些时候，我们把这一过程发展到了其合乎逻辑的——但仍然令人惊异的——结局：使光脉冲在冷却到接近绝对零度的一团微小气体云中完全停下来。可以说我们能够把光脉冲短时间地冻结在冰里，然后又重新打发它们走上旅途。

使光减速并冻结不但本身具有很大的研究价值，而且也具有多方面的潜在用途。在足够低的温度下，我们的降低光速实验中所用的超冷原子云形成了玻色-爱因斯坦凝聚体。此凝聚体是一类具有奇特性质的原子系统，其中所有原子处于单一的量子态中并同步动作。采用比如说让一个光脉冲以声波那样低的速度缓慢穿过玻色-爱因斯坦凝聚体之类的方法，我们可以从新的角度对玻色-爱因斯坦凝聚体进行研究。（我们预计，光脉冲以声速穿越凝聚体时将引起一束原子渡在光脉冲上“冲浪”）。

对慢速光以及冻结光的研究也为光通信和数据存储以及量子信息处理（即量子计算机，它利用量子现象获得远远超过传统计算机的性能）开辟种种崭新的前景。冻结光系统实质上就是在无运动的量子信息和以通常的光速运动的光子之间来回变换。

让原子进入状态

许多通常的物质都能使光速降低。例如，当光在水中行进时，其速度就下降到真空中光速的75％。光速下降的多少与物质的折射率有关，但是通过这种方式使光速降低，其下降的幅度一般是很有限的，例如，金刚石是折射率最高的透明物质之一，它只能使光速降低到其真空中速度的2.4分之一。要使光速成千万倍地下降，需要依靠一些与量子力学有关的新效应。我的研究小组在一团雪茄烟状的钠原子云中（其长度通常为0.2毫米，直径为0.05毫米）创造了这些效应所需要的条件（钠原子云被捕获在磁场中并被冷却到低于百万分之一开氏度的温度上）。

钠属于碱原子族，碱族元素的原子其最外一层电子（价电子）只有一个。正是这个价电子起着几乎主导一切的作用。钠原子的各个不同的激发态对应于该价电子被激发到原子核周围较大的轨道上，此时它的能量高于其通常的最低能态，即基态。这些状态决定了钠原子与光的相互作用，也就是钠原子将强烈地吸收哪些频率的光，等等。此外，价电子和钠原子的原子核都是磁体，实际上也就相当于一个个微型的指南针。价电子的磁性与其内禀角动量（即自旋）有关，这一点与地球的磁性相似：地球的自转轴与磁北极有关，但并不是完全吻合的。钠原子激发志的确切能量决定于原子核与价电子的自旋取向是否一致。

虽然原子能够取多种这类状态，但我们只利用其中3种状态来降低光的速度。在我们的实验中，当制备和冷却原子云的工作结束时，每一个原子都处于第一种状态也就是其基态。此时价电子位于它的最低轨道上，而价电子的自旋则正好与原子核的自旋相反（即反平行）。每个原子的总磁性也与我们用来约束原子云的磁场处于反平行状态第2种状态与第1种状态非常相似，只是电子和原子核的自旋取向完全一致，而这种自旋取向的一致就使得原子的能量略微增大了一点。第3种状态的能量比第2种大30万倍，这种状态是通过使价电子跃升到一条更大的轨道上而产生的。从第3种状态回复到第1种或第2种状态的原子发射出一种特有的黄光，类似于街道上的钠灯发出的光。

我们想要使其放慢速度的光的能量正好等于上述第1种状态与第3种状态的能量差。如果我们在不采取其它任何准备措施的情况下把这样一个光脉冲发射到原子云中，那么原子云中的原子将完全吸收这个光脉冲并从第1种状态跃迁到第3种状态经过一段短暂的时间后，这些被激发的原子将发射光子而返回到第1种状态，但此时它们是朝所有方向随机地发射光子。此时原子云发出明亮的黄光，但有关原始光脉冲的所有信息全都丢失了。

为了防止这样一种吸收，我们利用了所谓“电磁致透明”的现象(electromagnetically induced transparency)。该现象是斯坦福大学的Stephen E．Harris小组在20世纪90年代初首先观察到的。电磁致透明就是用一束其频率经过仔细选择的激光束去照射原子云，使它相对于具有另一特定频率的光的透明性发生变化：本来它对于这种光是像墙一样不透明的，但经过激光照射之后就变得象玻璃一样透明了。

产生透明性的那个光束（耦合光束）其能量等于第2种状态和第3种状态的能量差。处于第1种状态的原子无法吸收这一光束。当探测脉冲的光（它的能量等于第1种状态与第3种状态的能量之差）到达原子云时，这两个光束就使原子的状态转变成状态l与状态2的量子迭加态，也就是每个原子同时处于两种状态。单是处于第1种状态将使原子吸收探测光，而单是处于第2种状态将使原子吸收耦合光束，其结果都是使原子跃迁到第3种状态，然后再睫机地发射光。但是，这两种过程合起来将相互抵消，就像一场拔河赛中势均力敌的双方一样。这种效果称为量子干涉。叠加态称为“暗态”（dark state），因为处于迭加态的原子实际上看不见光束（它们是“两眼一抹黑”）。原子对于探测光束是透明的，因为处于暗态的原子无法吸收这一光束何种迭加态是暗态（即第1种状态与第2种状态的比应当是多少）取决于每一位置上耦合光束与探测光束的光的比例。然而，一旦这个系统开始时处于暗态（和本例中就是耦合光束占100％，而处于第1种状态的原子也占100％），那么即使探测光束照射在其上该系统也会作出相应的调整从而使自己依然处于暗态。

对于正好调谐到第3种状态的能量的探测光束而言，类似的抵消过程使折射率恰好等于l（即相当于真空）。但是，只要频率稍微相差一点点，就能达到完全的抵消，而折射率也就会变化。一个短促的光脉冲能够“嗅出”折射率的这种变化，因为光脉冲所包含的光其频率实际分布在一个小范围上。对于每一种频率的光，其折射率是互不相同的，因此它们行进的速度也不相同。这一速度（即具有单一频率的连续光束的速度）是相速度。光脉冲所在的位置也就是它的所有这些分量完全保持同步（用专业术语来说就是同相）的地方在空气或水之类的普通介质中所有这些分量实际上以相同的速度行进，这样它们保持同步的地方（即脉冲所在的位置）也以同样速度行进。当脉冲各分量运动的速度分布在某一范围上时（这是出现在透明原子中的情形），各分量保持同步的位置就逐渐向后移动，换言之就是脉冲的速度放慢了。脉冲的速度称为群速度，因为脉冲是由一群频率不同的光束组成的。

这一过程与光在折射率大干l的介质中速度放慢这种通常的减速过程有若干重要的区别。首先，此过程降低的是群速度而不是相速度；其次，引起光速放慢的原因是折射率的变化非常急剧，而不是折射率本身的值较大；第三，耦合激光束必须一直开着。

使光冻结的超冷原子团

折射率睫频率的变化越快，脉冲行进得就越慢。折射率变化能有多快受多普勒效应的限制：原子在气体内的不停运动使每个状态的能量展宽，分布在一个不大的能量范围上。多普勒效应的作用可以从报警器接近或离开你时其音调韵变化看出来。想象一下许多警车以不同的速度飞驰而来然后又飞驰而去时你听到的该是何等杂乱无章的音调。

我的研究小组利用超冷原子（这种原子运动得很慢）来尽量减小多普勒展宽，这样原子的能志就清楚地确定下来，而发生抵消的频率范围就可以变得相当狭窄。已经有几个研究小组在室温气体中实现了光速的放慢，其中包括得克萨斯州农业与机械大学的Maflan O. Scully小组，伯克利加利福尼亚大学的Dmitry Budker小组，以及马萨诸塞州坎布里奇市哈佛一史密森天体物理学研究中心以Ronald L. Walsworth和Mikhail D. Lukin为首的研究小组。这些研究小组由于使用的是热原子，因此无须制备超冷气体，但这限制了他们降低光速的能力。

我们同时使用激光束、磁场和射频波3种手段来冷却钠原子。钠原子以密集原子束的形式从热源射出，此时它的速度为每小时2600公里。用一束激光迎头照射这原子，在一毫秒内就把它们的速度降低到每小时160公里，其减速度高达7万G（重力加速度），而这样高的减速是一束弱得不会烧伤手指的激光产生的。然后这些原子在光学糖浆中受到进一步的激光冷却。所谓光学糖浆就是用6个激光束从所有方向照射原子，使其冷却到2万分之l开氏度。几秒钟之内我们就在光学糖浆中收集了l百亿个原子。接下来我们关掉激光束，使实验室处于一团漆黑中，然后给若干电磁铁通电，这些电磁铁产生的磁场联合起来起着一个陷阱的作用，把原子云捕集在其中。我们花了38秒的时间通过蒸发来冷却原子，也就是把较热的原子从原于云中除掉，而只留较冷的原子。使用经过专门调谐的射频波，有助于加快热原子离开的过程。整个过程（从热原子束变成一团被捕集起来的冷原子云的过程）是在一个真空室内进行的，该真空室巳被抽到只有10^-14个大气压力。

当我们把原子云冷却到约2百万分之1开氏度时，它就形成了玻色-爱因斯坦凝聚体，此时，蒸发冷却之后剩下来的约数百万个原子其行为是完全同步的（参看本刊2001年3月号Graham P. Collins所著《宇宙中最冷的气体一文》。这些靠磁场的作用自由地悬浮在真空室中央的超冷原子云是宇宙中最冷的地方。但是我们实验装置的其余部分，即使与原子云的距离不超过1厘米，却处于室温这样高的温度下。真空室上有一些真空密封的窗口，在激光冷却过程中，我们可以通过这些窗口用内眼直接观看原子：光学糖浆中的冷原子云看起来就像一颗明亮的微型太阳，其直径约为5毫米。这样简便的光学现测使我们能够用激光束操纵原子，让原子完全按我们的意志行事。

当我们的雪茄烟状冷原子云准备好了以后，我们用耦合激光从侧面照射它。然后我们沿着雪茄的轴的方向发射一个探测脉冲。为了测量光速，我们采用了最直接的测量方法：我们在原子的后面放置一个光探测器，接收从原子云中射出的光脉冲，以测定光脉冲穿过原子云需要多长时间。在光脉冲穿过原子云后，我们立刻用另一束激光测量原子云的长度。此激光束从下向上照射，把原子云的阴影投射在一台摄像机上。用这一长度除以脉冲的延迟时间，我们就求出了速度。延迟时间通常在微秒到毫秒级的范围上。这样的延迟时间听起来可能很短，但它相当于光穿过绕成线圈的几公里光纤走了一大段弯路。

我们使光脉冲的速度放慢到真空中光速的2千万分之1后，所发生的现象就不仅仅是速度的变化了。开始时我们的光脉冲有1公里长，以每秒近30万公里的速度穿过空气。（当然，我们的实验室的长度远小于l公里，但是如果我们能够把激光器放那样远的话，它发出的脉冲在空气中就有那样长。）脉冲的前缘穿过玻璃窗进人真空室，然后进入悬浮着的一团钠原子中。在这团稀薄的气体云内光以每小时60公里的速度行进。一个骑赛车的自行车手可以轻易超过走得这样慢的光。

摸黑穿过气体云

既然光脉冲的前缘在气体云里慢如蜗牛般地爬行，而它的后部却仍然全速穿过空气向前冲，因此这个光脉冲就象手风琴一样被一千压人了气体云中它的长度现在只有20分之1毫米，被压缩到原来的整整2千万分之l。你可能以为光的强度会大大增加，因为同样多的能量现在被压缩到一个小得多的空间中。但事实上：这一放大并没有发生，光脉冲这一电磁波的强度仍然跟先前一样。我们可以换一种方式来说明这一点。在自由空间中该光脉冲含有5万个光子，但是放慢了的光脉冲仅含有l／400个光子（同样是减少到原先的2千万分之1）。那么，其它所有的光子以及它们所携带的能量究竟到哪里击了呢？部分能量进入了钠原子中，但大部分能量则传给了耦合激光束。我们对耦合激光的强度进行了测量以直接观察这一能量转移过程。

能量的转移也改变了光脉冲所经过的钠原子的状态。在脉冲的前端，原子从其最初的第1种状态改变成第1种状态和第2种状态的迭加态，也就是前面讨论过的暗态。在脉冲的强度最大的中央部位上，第2种状态在暗态中所占的比例也最大。当缓慢行进的脉冲后部离开原子区时，原子又重新回到第1种状态。暗态在原子云中的分布情况与被压缩的慢速光脉冲的形状相似，井以波的形式伴随着光脉冲穿过原子云。当这一暗态波与光脉冲到达气体云的另一端后，光脉冲就把能量从钠原子与耦合激光束中重新吸收回来，又开始以每秒30万公里的通常速度在空气中飞驰，而脉冲长度也恢复到原先的l公里。

放慢了的光的速度取决于若干参数。一旦我们选定了使用哪种原子以及使用哪些激发态，其中部分参数就固定下来了。但是有两个变量（即原子云的密度与耦合激光束的强度）是我们可以调控的。原子云的密度越大、光的速度就变得越慢。但用这种方式来降低光速是有限度的，其原因之一在于如果原子云的密度非常大，那么原子从磁陷阱中逃逸出去的速率就会太快。耦合激光束的强度越弱，光脉冲的速度也会变得越慢。当然，如果耦合激光太微弱，原子云将不会透明，这样它就会把光脉冲吸收掉。但是，我们采用了一种技巧来使光的速度尽量放慢而又不至于导致光脉冲被原子云所吸收：当被压缩的慢速光脉冲位于原子云的中央时关掉耦合激光束。

这样光脉冲就一下子停了下来并消失了。但是光脉冲所包含的信息并没有丢失。这一信息已经刻印在原子的状态上；当脉冲停下时，该印记就被冻结起来，有点像声音被记录在磁带上一样。使光脉冲停下的过程并不会压缩状态的分布模式，因为它是整个地同步放慢的，这与光脉冲逐步进入原子云时的较早阶段的情况不一样。

记录在原子上的冻结模式包含了关于原始光脉冲的全部信息。例如，第1种状态与第2种状态之比与光脉冲在每一点上的强度有关。实际上我们获得了一幅记录在气体原子中的脉冲全息图。将耦合激光束再次打开，我们就可以读出这一幅全息图。如同耍魔术一样，光脉冲又重新冒了出来并开始以低速前进，而原子的状态波也跟着它一起行进，好像什么事情也没有发生过。

我们可以把光储存1毫秒之长的时间，这一时间长的足以让光脉冲在空气中跑300公里。存储的时间越长，光脉冲高的变形就越严重。气体中的原子仍然在不停地四处运动，使暗态的分布模式慢慢地扩散开来。此外，原子间的碰撞也可能扰乱迭加态。1毫秒之后，输出的脉冲与原始脉冲相比就明显减弱了。当然我们也有一些技巧来应付这些问题。例如，如果把耦合光束的强度调到一个较高的值，那么输出脉冲就将更明亮，也更短促。把耦合光束迅速地开关若干次，就可以使光脉冲分成若干段重新产生。这样一类操纵手法显示了我们对存储脉冲所掌握的调控能力，在未来的试验与应用中它们可能大有用武之地。

黑洞与计算机

使光放慢并停下的过程为许多有趣的实验开辟了道路。例如，我们可以发射一个光脉冲穿过玻色-爱因斯坦凝聚体，而光速则调节到等于凝聚体中的声速（约为每秒1厘米）。凝聚体的原子将会与光脉冲一起“冲浪”，使整个凝聚体发生振荡。这将是一种研究凝聚体超流动性质的全新方法。凝聚体也可以在涡旋状态中产生，此时气体像流进下水洞的水一样打转。穿过涡旋的慢光脉冲将会同气体一起被拖着前进，这与研究人员预计黑洞附近可能发生的情况非常相似。借助速度放慢的光，我们可以在实验室里研究这一现象以及其它一些黑洞现象。

速度放慢的光还使研究人员能够实现一类新的非线性光学现象。这一现象发生在许多场合，特别是一束激光改变领一束激光的特性时，非线性光学是一个非常广泛的研究领域，对于基础研究和实际应用（从成像到通信）都具有重要意义。产生非线性光学效应通常需要极强的光束，但对于低速的光，只需要很少的光子就能产生非线性光学现象。这样的效应可用于超灵敏的光学开关。使光放慢和停下的技术可能还有一个用途，即用于量子计算机。在量子计算机中，通常确定的l和0被所谓量子位（qubit）——即l与0的量子迭加——代替。如果这样的计算机得以制造出来，它们将能够解决通常的计算机需要花极长时间才能解决的某些问题。量子位有两大类。一类量子位的位置固定，彼此很容易发生相互作用（例如原子的量子态），另一类量子位迅速地从一处移动到另一处（光子），但很难使它们以量子计算机所要求的方式发生相互作用。使光放慢的系统可以把飞行的光子变成静止的暗态模式然后又变回来，从而提供了一种可靠的方法来实现两类量子位之间的转换，这一过程对于建造大规模的量子计算机可能是必不可少的。我们可以想象把两个光脉冲记录在同一原子云中，让原子发生相互作用，然后产生新的输出光脉冲从而读出结果。

即使冻结的光最终被证明并非建造量子计算机的最方便实用的元件，它为我们开辟新的研究领域已经是多得足以让我们和其他研究小组在今后若干年里忙碌多少个不眠之夜还忙不过来。

【陈兴芜/译 向俊/校】