光速那么快怎样才能让它停下来?

Lene Vestergaard Hau 是丹麦物理学家。在 1999 年,她领导一个哈佛大学团队利用超流体成功地减缓一束光至每秒约 17 米,而在 2001 年,她能够让一束光完全冻结。后来,她基于这些实验研究了光与物质的相互作用和转化,这样的过程对量子加密和量子计算有重要意义 [1]。

Lene Hau,1959 年 11 月 13 日出生于丹麦,在丹麦奥胡斯大学获得数学学士学位和硕士学位以及物理学博士学位,后来在哈佛大学和附近的罗兰科学研究所工作。Hau 在整个 20 世纪 90 年代的研究重点是发展能够减缓光速的超冷气体。她开创了一种冷却钠原子的技术,并由此在温度非常接近绝对零度的时候实现了一种叫做“玻色-爱因斯坦凝聚态”的新物质形态。正是在这一玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 中,她和她的团队成功减缓了和冻结了光束,并且实现的了对光场中的信息进行存储和处理 [2]。

实验上实现的玻色-爱因斯坦凝聚,上图的峰代表大部分粒子都集中在一个状态上(图片来源:维基百科)

减缓甚至冻结光束的理论部分要从玻色和爱因斯坦开始说起。玻色-爱因斯坦凝聚(Bose Einstein Condensate),简称为 BEC,是指玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。上世纪 20 年代,年轻的印度物理学家 Satyendra Nath Bose 和科学巨匠 Albert Einstein 以 Bose 本人关于光子的统计力学研究为基础,预言了当玻色子原子体系被冷却到低于临界温度时,几乎全部的原子都会聚集到能量最低的量子态,从而形成一种全新的相态。

根据量子力学的基本规则——不确定性原理,粒子的动量(或速度)越精确,其位置就越不能精确,反之亦然。在恰好零度(实际上永远无法达到)时,粒子将具有零动量,即精确值。这意味着粒子的位置将是高度不确定的。极低温下的玻色子原子由于动量极小,因而位置非常不确定,占据的体积大大增加,原子的波函数叠加在一起,重叠并合并成为玻色 – 爱因斯坦凝聚态。

玻色 – 爱因斯坦凝聚态很难理解也很难形成,直到 1995 年,科学家才实现第一次“纯”的玻色—爱因斯坦凝聚态。它有着许多非常有趣的特性,由此延伸出很多神奇而深刻的研究。比如它们可以有异常高的光学密度差,使用激光可以改变玻色—爱因斯坦凝聚态的原子状态,使它们对一定的频率的折射率骤增,这样光束在其中的速度就会骤降,甚至到数米每秒。Lene Hau 和她的团队正是利用这一特性实现了光束的减缓和冻结 [3]。

1994 年,Lene Hau 和合作者设计并制造了一种巧妙的原子束光源。该装置可以通过加热金属钠,使其融化并蒸发,而后将蒸发出的热钠原子从一个针孔装置射出到冷却装置中。冷却装置主要由激光束构成,室温下钠原子会高速移动,但是当它们被激光束从三个方向轰击时,它会失去能量并减速冷却下来。通过一系列复杂的过程,Lene Hau 可以成功地捕获一批温度极低的钠原子。整个冷却过程需要大约 38 秒,可以将钠原子云冷却到几个 nK(K:绝对温标单位)的温度,这是一个非常低的温度,远远低于自然界中的任何温度。在这个温度下,钠原子云凝聚形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

一旦产生玻色-爱因斯坦凝聚态,Hau 就将一束与低温原子云共振的耦合激光射向原子团,使得原子云和激光中的光子彼此耦合“纠缠”在一起,就好像它们是同一个实体。而后 Hau 将另外一束探测脉冲激光从不同的方向再次入射到这一体系中,探测光中有一些光可以通过原子云,但速度只有线 万分之一。Hau 在 1999 年发表的文章中成功实现了这一过程 [4],将光束的速度降到了大约每秒 17 米。两年后,她成功地冻结了一束光。

在 2007 年,Hau 的小组进一步实验。她们首先冻结了一束光。当光脉冲被完全压缩并被完全包含在低温原子云中时,该团队突然关闭了耦合激光器。低温原子云的特性发生改变,这使得光脉冲无法透出低温原子云,被困在里面。而当她们重新打开耦合激光器时,原来的光脉冲则会从低温原子云的释放出来。在低温原子云中,光脉冲被压缩了大约 5000 万倍,但不会丢失其中存储的任何信息。信息由此从光信号转移到物质中储存。

另外,在两个低温原子云之间,存在着行进的物质波,它可以将初始光脉冲的信息精确复制并传输到下一个低温原子云。当物质波在原子云之间传播时,速度大概是每小时 200 米,在此期间人们可以将其捕获,并以任何我们想要的方式重塑和改变它 [5]。

“这项工作可能会在控制光学信息方面提供新的途径,并应用于量子信息处理和量子密码学领域”,Hau 说,“有朝一日,在使用光子而不是电子来携带和处理信息的量子计算机中,慢速或冻结的光可能会大放异彩”。

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