如何“留住光”

劉曉英　阮文琳　張育新

我們可以握住沙、觸摸水，甚至將氣體裝入玻璃瓶內，而光就像時間，轉瞬即逝，我們看得見它卻摸不著，那要如何才能把它“留下”呢？

光是一種處于特定頻段的光子流，以電磁波的形式直線傳播，其本質是交互變換的電場和磁場。變化的電場會產生磁場，變化的磁場又反過來產生電場，這樣就會形成電磁波。我們平時所看到的五顏六色的光其實就是不同波長所帶來的顏色差異。

愛因斯坦的狹義相對論也對光的傳播有所描述：光子一旦產生就會以光速運動，因為它們靜止時質量為零，所以當光子穿過量子場時，不會發生相互作用。也就是說，光的傳播不需要能量，一經產生，就能夠以光速永遠地傳播下去。那么對于這樣快速運動，無法觸碰的東西，我們是否真的能夠“留下”它呢？光的傳播速度非常快，它在真空中的速度高達3×108m/s，在空氣中由于氣體微粒等介質的存在，傳播速度會稍慢些，而在折射率更大的介質中，傳播速度還會更慢。科學家們正是利用光傳播中的這一特性，通過降低光的傳播速度，讓光先“慢下來”，然后使用一種特殊的物質讓它“留下來”。

通常的光子運輸就像鐵路運輸一樣，光纖網絡就像一條條縱橫交錯的鐵道，而量子中繼器就是其中負責集合和分配的中轉站，以此來構建一個龐大的“光子運輸系統”，即量子網絡。而由于一些技術瓶頸問題，“鐵路”的長度受到一定限制，因此“中轉站”之間的遠距離連接也成為一大挑戰。

仔細想想看，當我們在選擇鐵路這種出行方式受限時，就會選擇乘坐飛機，其實光子也是同樣，這也是我們要“留住光”的意義所在。“留住光”能夠實現光的量子U盤，也就是將光子保存起來，像把它儲存在U盤里，通過運輸U盤來傳輸量子信息，因此不用再去建立“中轉站”——量子中繼器，可以脫離“光子運輸系統”，把單個光子的量子態放到存儲器里面。只要存儲器壽命夠長，它就可以像一個乘坐飛機的經典U盤一樣，想去哪里就可以飛到哪里。這種“封閉式運輸”的方式無疑提高了運輸過程的私密性和安全性，量子通信相比于經典通信主要的優勢就在于安全性，它更大的價值會體現在類似政府或軍事等信息傳遞上對安全性要求更高的領域。

中國科學技術大學的郭光燦院士團隊就在“留住光”這項工作上取得了重大進步。這些科研人員將光“封印”在一個僅5毫米厚的特殊晶體中長達1個小時，大幅度刷新了八年前的德國科學家們所創造的1分鐘的記錄。在這項實驗中，光的傳輸速度被下調了幾十萬倍，因為光速變慢了，所以600米長的光脈沖等效空間長度也被壓窄了，相當于光更容易被“捕捉”了。

許多科學家都曾做過“留住光”的實驗，他們大都使用了一種叫作Eu：YSiO或Pr：YSiO的晶體來“留住光”，這種晶體是指摻雜Eu（銪離子）或Pr（鐠離子）的YSiO（硅酸釔）晶體，這兩種元素包括Y（釔）都是稀土元素，它的得名是因為瑞典科學家在提取稀土元素時應用了稀土化合物，所以得名稀土元素。大多數稀土元素呈現順磁性，是指這種物質對磁場響應呈現出較弱的磁性，且通常有較高的硬度，所以稀土元素在電子等領域有廣泛應用。

這種晶體有什么特別之處呢？

摻雜了Eu或Pr的YSiO晶體主體是SiO（二氧化硅），它是一種神奇的物質。在SiO晶體中，硅原子位于正四面體的中心，四個氧原子位于正四面體的四個頂角上，許多個這樣的四面體又通過頂角的氧原子相連，每個氧原子為兩個四面體共有，也就是說每個氧原子都與兩個硅原子相結合，最終呈現出這樣一個堅硬的晶體結構。

基于此，YSiO呈現出表面疏松多孔的形貌，當光子傳到晶體中時，其中的原子就會像漁網一樣把光子給捕捉住，它們在晶體里的原子之間來回碰撞震蕩，由于原子在晶體中的排列，所以光子也無法離開晶格，于是光子就這樣被牢牢地抓在晶體里，光也就被“留下來”了。

SiO2晶體的原子排列

“乘坐飛機”的不只是一束光而已，看似簡單，里面卻富含了許多信息，一片小小的晶體能夠“留住光”，還要同時儲存光中的海量信息。“留住光”實驗的成功實踐，既不是意外也不是巧合，而是我國的科學家們經過反反復復地試驗，用汗水和辛勤一點一滴澆灌出的成功花朵。

此次實踐不僅大幅度刷新了以往的紀錄，更是我國在技術和創新上的一大重要進步，這會為我國在通信、電子技術、政府軍事等多個方面帶來十分向好的發展。相信在未來會有更多科學家們成長起來，給中國和世界帶來更多改變！