稽核專家：羅會仟

中國科學院物理研究所副研究員

眾所周知，光在真空中的速度約每秒300000km，要想比它跑得快是完全不可能的事情。要想知道光裡面到底有什麼，要麼和它跑的一樣快，要麼把光慢下來，最好讓它靜止。而這個把光慢下來，甚至留住，正是光儲存領域的科學家們孜孜以求的目標，而近日，這一目標在中國科學家手中迎來了具有實際意義的重大突破。

光作為一種傳遞能量和資訊的媒介，在科學技術日益精進的今天，科學家們開始設想是否可以對光進行捕獲和儲存，進而實現大密度的資訊和能量的傳遞。

拆開的光纖來源丨網路

其實利用光進行資訊傳遞已經不是什麼新鮮的事情了，比如人們經常聽到光導纖維，也就是光纖。光纖的工作原理很簡單，就是利用光的全反射：當光線射到內芯和外層介面的角度大於產生全反射的臨界角時，光線透不過介面，全部反射。

故而，光導纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成，以滿足上述的全反射原理。這其實就是一種對光的“捕獲”和“儲存”，只不過在這個過程中，光仍舊以接近真空光速在運動，並非我們想象中的用一個類似於箱體的物質對光進行“靜態”的封裝儲存。

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那麼，怎麼儲存光？

首先，對光進行儲存是

保持它的什麼性質不發生變化

，這是我們需要理清楚的一件事。

在資訊時代，計算機網路是基於電子這一微觀粒子構建的。電子作為一種微觀粒子，在運動的過程中伴隨著能量增加或減少，根據這一特點，科學家和工程師們可以搭建積體電路，控制電能的定向運動，由此就產生的0和1訊號，也就是通斷訊號，我們就可以用來傳播資訊。

但是光量子的運用與電子的運用存在著不同，在對光量子進行利用的過程中，除了要考慮它的能量大小之外，光量子的本身是相位變化也需要控制在一定的精度範圍之內，才能保證其儲存的資訊不發生變化且可以被讀取到。故而，在儲存光的過程中，相位不發生變化是首要問題。那麼帶來的一個必然問題就是，儲存光量子，必然不能像儲存電子一樣簡單。

和任何發明創造一樣，光儲存首先要在理論上進行探究解釋。在1980-1990年代，相關的理論就已經開始發展，經過漫長時間的探索，科學家們發現了

電磁誘導透明效應理論

（Electromagnetically Induced Transparency，簡稱EIT）。這一效應可以簡單解釋成為：某種介質強烈地吸收某一頻率的光束，而當再施加另一束能被介質吸收的光束時，介質對於第一束頻率的光就不再吸收了。

三能級系統圖來源丨網路

目前人們普遍認識到要實現電磁誘導透明效應，應該滿足兩個條件：

第一

，需要有兩束經過頻率和相位鎖定的鐳射，其中一束為控制光，有較強的光強；另一束為訊號光，光強遠遠小於控制光強；

第二

，這兩束光與三能級原子介質發生相互作用，並滿足雙光子共振的條件。利用這一效應，科學家們可以透過調節控制光的光強來有效操控光的群速度，進而對光進行減速。

簡單來說，要實現電磁誘導透明效應，需要一種特殊頻率的來作為“鑰匙”，開啟介質這個“減速器”，然後需要儲存的訊號光就可以在介質中減速了，不同的“鑰匙”對應不同檔位的“減速器”。

在可以對光進行減速的前提下，進而又提出了基於EIT效應的全光儲存理論模型——暗態極子化模型，這一模型可以將上述的“減速器”的速度設定為0。

那麼在這樣的情況下，任何人都比光“走”得快了。

現在留給科學家們需要解決的是保持這一零速度狀態的時間足以滿足實際的工程需要的問題，而這正是21世紀以來國內外光儲存領域的科學家們通宵達旦想要攻破的難關。

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儲存光的介質

經過前面的解釋，我們對怎麼儲存光已經有了一個淺顯的認識：需要某種介質，這種介質在EIT效應的基礎上，加以光路控制可以實現光儲存，那麼這種介質應該如何選擇，需要什麼特性的材料呢？

2001年，哈佛大學的Hau小組選用鈉冷原子作為介質，實現了光脈衝訊號的讀寫，儲存時間達到1毫秒；而同時哈佛大學的Lukin小組在2003年，利用不同的控制技術在熱原子介質中實現了800毫秒的光儲存和釋放。但是這短短的幾百毫秒根本不足以用於任何的實際工程領域，怎麼辦呢？

在2005年，澳洲科學家實現在

摻鐠矽酸釔晶體固體材料

介質中實現了1s的光儲存，2013年，德國達姆施塔特大學的科研人員同樣利用基於摻鐠矽酸釔晶體介質實現了1分鐘的光儲存的世界紀錄。在一秒到一分鐘的突破中，澳洲和德國科學家選用的是摻鐠矽酸釔晶體，其中鐠是一種稀土金屬，這為提高光儲存時間的困局指出一條道路：選用

摻雜稀土金屬的晶體

！

但是稀土金屬有17種，每種金屬元素的性質都不相同，怎麼選擇呢？並且為什麼選擇稀土金屬呢？

德國團隊的光路控制演示圖來源丨網路

我們把視線轉回到中國科學家。在2015年的時候，中國科學技術大學的李傳鋒、周宗權研究組自制了

光學拉曼外差探測核磁共振譜儀

，專門用於稀土離子摻雜晶體的能級結構分析。這一儀器為他們選擇適用於光儲存的介質奠定了基礎。

在這一自主研發的實驗儀器的幫助下，中科大的李傳鋒團隊發現由於稀土離子的特殊外層電子結構，使得即便是在固體中，摻雜的稀土離子仍舊保持近似自由自立的光譜特性，可以很好地用於光儲存及量子儲存，並且具有長儲存時間、大頻寬、多模式，可整合發展的優勢。這也就回答了為什麼選擇稀土元素摻雜可以提高光儲存時間的問題。

六水合三氯化銪晶體，厚度約2mm，虛線內為儲存實驗所用區域

在17種稀土金屬中，中國科學家選擇

銪金屬

作為晶體中的摻雜離子，在他們的控制下，可以實現長達一個小時的光儲存時間，理論上甚至可以儲存一個月之久。

中國科學家團隊所選用的金屬銪是最為稀有的稀土元素，在地殼中的含量僅僅有0。000106%，選擇出這樣的一種摻雜離子實屬不易。這都要歸功於中科大的李傳鋒團隊在稀土金屬領域長時間獨立自主堅持不懈的耕耘。

中國科學家的光路控制示意圖來源丨網路

在中國科學家的實驗中，

光總儲存時間長達1小時

，且光的相位儲存保真度高達

96.4±2.5%

。具有里程碑式的突破，使得光儲存真正具有了實際的工程應用條件，為大型的量子網路搭建奠定基礎。

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實驗有哪些實際意義？

最為重要的是光儲存在

量子通訊

中的作用。因為光纖傳播的指數級的光子損耗，地面糾纏分發的距離當前被限制在百公里的範圍內。

而光量子的儲存可以建立量子中繼器，克服這一損耗，在量子中繼衛星中搭載這一光儲存技術，一個小時的時間可以滿足覆蓋全球的量子資訊傳播，進而建立起遠距離的量子通訊網路。

儲存光的晶體來源丨新聞圖片

我們可以把光子理解成為一輛載滿資訊的

跑車

，把中繼器理解成為

加油站

。在長距離運輸過程中，如果不加油，光子這輛“跑車”就會“丟掉”一些“負重”，也就是資訊會失真，而光子在量子中繼器這裡“加油”，就可以保持其“負重”不丟失，也即保證了傳輸資訊的質量。

此外，

還可以將量子儲存技術用於“隨身碟”中

，製作成的量子隨身碟具有高保密性和保真性。即便丟失，其中的資訊也無法被破譯擷取。但是當今的交通運輸方式，即便是高鐵和飛機在運輸量子隨身碟時，在僅僅一個小時的儲存時間內可以實現的運輸距離也是有限的。仍舊需要在這一光儲存的道路上繼續前進。說不定在未來某天，我們普通人也能用上量子隨身碟和量子計算機。

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