絕對禁止光子移動！

透過一個精心設計的實驗，科學家竟然可以將光脈衝完全凍住。
撰文╱柯林斯（Graham P. Collins）
翻譯／王道還
 
　　光是最快的現象。不是嗎？光速不就是宇宙裡速度極限的同義詞嗎？不過，光在穿過物質的時候也得慢下來。舉例來說，光在穿過玻璃或光纖時會降至最高速度的70%左右──仍然足以每秒繞地球五圈。三年以前，物理學家證明了可以用一種特別準備的氣體，將光速降到最高速的2000萬分之1（約每小時54公里），那是奮力騎一輛腳踏車就可達到的速度。現在兩個實驗團隊用這種系統可以將光約束到完全停止的地步，可是一旦釋放，光又會恢復原有的樣子。這個技術的應用範圍，從極端精確的原子性質測量到量子計算，潛力十足。

　　這個突破是在美國麻州劍橋的私人研究機構羅藍研究所完成的，領導人是哈佛大學應用科學系講座教授豪爾。他們以一小團極低溫的鈉原子逮住了光，溫度在絕對零度之上不到一微度。另外一個團隊則是由哈佛－史密森天體物理中心的沃斯沃與盧金領導，得到了同樣的結果，但是他們使用的是一個四公分長的管子，內有氣態銣（Rb，原子序37，與鈉同一族），溫度與沸水幾乎一樣高。兩個團隊的實驗都以相同的兩個步驟將光凍住。【圖片說明：光脈衝（短暫的電磁震盪，橘色線）經過不透明的原子氣體（藍色線條處）時，會受到原子磁場的壓縮、減速。光脈衝在原子氣體裡，可以凍結，然後又再生。】

　　首先以雷射將一束仔細調整過的光脈衝射入氣體。通常那個氣體是不透明的、像一堵磚牆，把這束「訊號光」完全吸收。不過在這些實驗中，另一束「控制雷射光」也射入氣體，使氣體變成對「訊號光」而言是透明的。這個效應叫作「電磁誘導透明」，1990年代初期首先由史丹福大學的哈里斯等人提出。「控制光」與原子交互作用，透過「量子干涉」消除了氣體吸收「訊號光」的能力。氣體的光學性質改變，也大大降低訊號光的速度。這種慢速光幾年前豪爾與哈里斯的團隊都做到了。

　　每一個氣體原子都帶有微小磁場，這些磁場排列會模擬光脈衝的形式，磁場的排列會與氣體中的慢速光配合一致。原子極化與光的組合叫作「極化聲子」，使極化聲子停住是在實驗的第二階段，也就是在極化聲子穿過氣體的時候將控制光關掉。一旦控制光的強度逐漸下降，剩餘的訊號光就給吸收了，原子極化愈來愈強的極化聲子速度減慢得更多。到了控制光強度歸零之時，光的最後一絲光芒都消逝到原子裡，極化聲子就完全停止了。

　　光脈衝的所有性質依然儲存在這個完全靜止的實體中。實驗者證明這一點的方式是：在這當兒先等一會兒（只幾分之一秒的時間，但對原來的光束來說卻是億萬年），然後再開啟控制光，極化聲子就會轉換回光脈衝，並朝向氣體的遠端「爬」去，然後在空氣中飛逝而去。

　　當然，光的儲存與再生並不完美；凍結的時間愈久，輸出的光脈衝變得愈「退化」。因為攜帶偏極資訊的原子畢竟沒有凍結在空間中。原子擴散與互撞會穩定的將極化聲子驅散與摧毀，這現象在熱氣中進行得更是快。

　　這個技術是大規模量子資訊處理的關鍵，要做量子電腦的話一定得用上：高速運動的量子態（如光脈衝）與耐久的穩定態（如極化聲子）之間，必須能夠可靠的互相轉換。不過，IBM的量子計算專家狄文森索倒十分審慎，他說這個慢速光系統的其他面相與量子計算系統並不完全相容。「這個實驗並不會直接衍生出量子電腦，」他說，可是他也認為這個實驗是「漂亮的研究」，「讓我們對於操控量子系統，又前進了一步。」

【本文轉載自 2002年1月號 〈絕對禁止移動！〉一文。】

來自 http://www.sciam.com.tw/news/ne...ocNo=15&CL=14