绝对禁止光子移动！

透过一个精心设计的实验，科学家竟然可以将光脉冲完全冻住。
撰文╱柯林斯（Graham P. Collins）
翻译／王道还
 
　　光是最快的现象。不是吗？光速不就是宇宙里速度极限的同义词吗？不过，光在穿过物质的时候也得慢下来。举例来说，光在穿过玻璃或光纤时会降至最高速度的70%左右──仍然足以每秒绕地球五圈。三年以前，物理学家证明了可以用一种特别准备的气体，将光速降到最高速的2000万分之1（约每小时54公里），那是奋力骑一辆脚踏车就可达到的速度。现在两个实验团队用这种系统可以将光约束到完全停止的地步，可是一旦释放，光又会恢复原有的样子。这个技术的应用范围，从极端精确的原子性质测量到量子计算，潜力十足。

　　这个突破是在美国麻州剑桥的私人研究机构罗蓝研究所完成的，领导人是哈佛大学应用科学系讲座教授豪尔。他们以一小团极低温的钠原子逮住了光，温度在绝对零度之上不到一微度。另外一个团队则是由哈佛－史密森天体物理中心的沃斯沃与卢金领导，得到了同样的结果，但是他们使用的是一个四公分长的管子，内有气态铷（Rb，原子序37，与钠同一族），温度与沸水几乎一样高。两个团队的实验都以相同的两个步骤将光冻住。【图片说明：光脉冲（短暂的电磁震荡，橘色线）经过不透明的原子气体（蓝色线条处）时，会受到原子磁场的压缩、减速。光脉冲在原子气体里，可以冻结，然后又再生。】

　　首先以雷射将一束仔细调整过的光脉冲射入气体。通常那个气体是不透明的、像一堵砖墙，把这束「讯号光」完全吸收。不过在这些实验中，另一束「控制雷射光」也射入气体，使气体变成对「讯号光」而言是透明的。这个效应叫作「电磁诱导透明」，1990年代初期首先由史丹福大学的哈里斯等人提出。「控制光」与原子交互作用，透过「量子干涉」消除了气体吸收「讯号光」的能力。气体的光学性质改变，也大大降低讯号光的速度。这种慢速光几年前豪尔与哈里斯的团队都做到了。

　　每一个气体原子都带有微小磁场，这些磁场排列会模拟光脉冲的形式，磁场的排列会与气体中的慢速光配合一致。原子极化与光的组合叫作「极化声子」，使极化声子停住是在实验的第二阶段，也就是在极化声子穿过气体的时候将控制光关掉。一旦控制光的强度逐渐下降，剩余的讯号光就给吸收了，原子极化愈来愈强的极化声子速度减慢得更多。到了控制光强度归零之时，光的最后一丝光芒都消逝到原子里，极化声子就完全停止了。

　　光脉冲的所有性质依然储存在这个完全静止的实体中。实验者证明这一点的方式是：在这当儿先等一会儿（只几分之一秒的时间，但对原来的光束来说却是亿万年），然后再开启控制光，极化声子就会转换回光脉冲，并朝向气体的远端「爬」去，然后在空气中飞逝而去。

　　当然，光的储存与再生并不完美；冻结的时间愈久，输出的光脉冲变得愈「退化」。因为携带偏极资讯的原子毕竟没有冻结在空间中。原子扩散与互撞会稳定的将极化声子驱散与摧毁，这现象在热气中进行得更是快。

　　这个技术是大规模量子资讯处理的关键，要做量子电脑的话一定得用上：高速运动的量子态（如光脉冲）与耐久的稳定态（如极化声子）之间，必须能够可靠的互相转换。不过，IBM的量子计算专家狄文森索倒十分审慎，他说这个慢速光系统的其他面相与量子计算系统并不完全相容。「这个实验并不会直接衍生出量子电脑，」他说，可是他也认为这个实验是「漂亮的研究」，「让我们对于操控量子系统，又前进了一步。」

【本文转载自 2002年1月号 〈绝对禁止移动！〉一文。】

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