谈一谈:我国科学家将光存储时间提升至1小时是怎么回事(图)

我国科学家将光存储时间提升至1小时是怎么回事

最近在网上看到一则新闻，那就是“我国科学家将光存储时间提升至1小时”，我的天啊，这个就太厉害了吧，那么小编也要问了，这到底是怎么回事呢？光真的能存储吗？关又是怎么储存的呢？这些问题也非常的有意思，下面我们一起来简单的解谜分析看看。

1、我国科学家将光存储时间提升至1小时是怎么回事

中国科学技术大学25日发布消息，该校李传锋、周宗权研究组近期成功将光存储时间提升至1小时，大幅刷新8年前德国团队创造的1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。国际学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果，审稿人认为“这是一个巨大成就”。

光是现代信息传输的基本载体，光纤网络已遍布全球。光的存储在量子通信领域尤其重要，因为用光量子存储可以构建量子中继，从而克服传输损耗建立远程通信网。另一种远程量子通信解决方案是量子U盘，即把光子保存起来，通过运输U盘来传输量子信息。考虑到飞机和高铁等运输工具的速度，量子U盘的光存储时间需要达到小时量级，才有实用价值。

李传锋、周宗权研究组长期研究这一领域，他们2015年研制出光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量。近期，他们在实验上取得重大突破，结合“原子频率梳”等技术，成功实现光信号的长寿命存储。

在实验中，光信号经历了光学激发、自旋激发、自旋保护脉冲等一系列操作后，被重新读取为光信号，总存储时间达到1小时，而且光的相位存储“保真度”高达96.4±2.5%。

“简单来说，我们就是用一块晶体把光‘存起来’，一个小时后取出来发现，它的相位、偏振等状态信息还保存得很好。”李传锋说，光的状态信息很容易消失，这个研究大大延长了保存的时间，也因此有望催生一系列创新应用。

比如，将两台相距较远的望远镜捕捉到的光，保存后放到一起进行“干涉”处理，可以突破单个望远镜的尺寸局限，大幅提升观测的精度。

量子U盘对构建全球量子通信网具有重要意义。李传锋介绍，为实现量子U盘，不仅要高精度的“留住光”，还要提升信噪比，这也是他们下一步努力的方向。

2、光真的可以储存吗

光真的可以被储存，以前国外能储存1分钟，现在中国能光储存1个小时。

线是目前已知宇宙中传播速度最快的，在空气和真空中，光速接近每秒30万千米;但在通过某些透明介质时，比如水或者玻璃，由于折射的关系，光速会稍微减慢，当然，这种减速极其有限，这一过程根本不可能被人们感知。

不过，科学家希望通过类似的效应来拦截、捕获并重新释放光，这是研制量子中继器的重要步骤，也是未来打造强大的量子计算机以及构建长距离量子通信的基础。事实上，在过去的研究中，光的传播速度不仅能够被极大地降低，甚至还可以让光停下，而停留的时间也从最初的转瞬即逝，逐渐延长到以秒来衡量。而最近，来自德国的科学家更是创下纪录：他们利用一种特殊晶体作为介质，将光“拘留”在内，时间持续了整整一分钟。

2.1、从几千分之一秒到分钟的跨越

据《激光世界》网站近日报道，早在1999年，哈佛大学的研究人员就已经使光速减慢到每秒17米。他们利用磁场让一小团冷却至玻色—爱因斯坦凝聚态的原子云悬浮在真空腔内，然后让一束光通过原子云，便观测到了光速大大降低的现象。

此后，该团队不断调整自己的系统，在2001年的实验中，他们将一束光储存在另一束激光“传送带”上，成功做到了让光“止步不前”，并且没有摧毁光子或者扰乱它们的量子态。与此同时，另一个来自哈佛—史密森天体物理中心的团队借助超冷钠原子来存储并释放光能，也达到了同样的目的。不过，这两项实验都只让光的脚步停顿了几千分之一秒。而只有让这一时长达到秒级以上，才可能找到一种方法将光能相干存储在一个稳定的介质中，就像将电能存储在电容器或电池中一样。

今年年初，美国佐治亚理工学院的研究小组获得新的突破，他们让一束光停留了16秒的时间。但研究人员同时承认，要想构建洲际量子信息网络，存储光的时长至少需以分钟计而非秒计。

到了7月，“分钟屏障”被德国达姆施塔特大学的研究人员打破。他们用一种更为稳定的介质来取代由电磁场保持的超冷原子云，这种介质是一种不透明的晶体，但激光照射可暂时将其变得透明，而光就在这种晶体中静止了60秒。

“一分钟非常非常长。这的确是一个重要的里程碑。”《新科学家》杂志援引英国圣安德鲁斯大学微光子学专家托马斯·克劳斯的话说。

2.2、光是被这样“封冻”起来的

德国研究人员选择的是低温下掺有镨的硅酸钇不透明晶体，其拥有一种特性——电磁诱导透明效应，有此效应的介质不会吸收某特定频率的光，也就是说，该介质在这一频率的光下是透明的。

他们将一束控制激光射向晶体，触发晶体内部量子级别的反应，使晶体变得透明。随后，他们用第二束光(可用于存储数据/图像，实验中存储的是一幅由3条横线构成的简单图片)照射透明的晶体，接着关闭控制激光束，让晶体变回不透明状。这不仅使第二束光被捕获在晶体中，而且由于晶体不透明，第二束光无法发生折射，也就是说，这束光线的传播停止了。

由于无路可走，被俘光子的能量被晶体中的其他原子吸收，而光子携带的图片信息也转化成了原子自旋激发。接下来，研究人员重新开启控制激光束，将被捕获在晶体中的光线重新释放出来，原子自旋激发(即图片信息)也就重新释放给光子。这些原子自旋激发可以保持相干性(数据完整性)的时间为一分钟左右，之后释放出的光脉冲(或存储在上面的图片)就失真了。

2.3、光存储由此成为可能

从本质上说，这项成果使光存储成为可能，即光线有望作为存储和恢复数据的介质。量子计算机可以利用单个原子的量子态来存储数据，但原子的量子相干性很容易受到背景噪音的干扰，而用光子的量子态，也就是用一束光的电磁场来存储数据，会使通过光纤网络传输量子编码的数据更加容易，从而为远程量子通信网络的建立提供保障。更让人期待的是，这项研究或许也可以给探索如何让光加速提供思路。

德国研究团队表示，此次所用晶体材料的潜力已经发挥到了极限，如果改用其他材料，比如掺有铕的硅酸钇，再加上特定的磁场，数据存储的时间将有可能延长得更久。但要将这项技术运用到现实世界中的计算机上，还需找到一种在室温下低噪音储存和传输光的方法。

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