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奈米下的慢光

文︱Y.F.

光速減慢並不是一件神奇的事情。在日常生活中的光速雖然已經減慢,但是比起我們步行、車速、高鐵速度等還是來的快。若能發生光追著我們跑,甚至是把光停止下來,這是多麼不可思議的事。物理學家們絞盡腦汁利用任何介質達成光停止的任務。然而,把光停止下來有甚麼好處呢?現今美國研究團隊已經成功利用奈米尺度下的矽晶片做為安全的量子網路基礎。

在1990年,人類已經成功利用不透明的介質將光停止下來;這些不透明介質通常是利用原子來實現。物理學家將光停止下來的原理如下:當一道雷射光照射原子時,雷射光將被原子吸收,若今日同時在加入一道雷射光,此時原子對於雷射光並不吸收反而穿透,因此光對原子而言產生了透明效應。此現象稱為「電磁波引發透明效應」(Electromagnetically Induced Transparency),簡稱EIT。

在1999年,美國科學家發現,使用鈉(Na)的冷原子氣體,來實現慢光現象。從EIT現象發現使光脈衝每秒17公尺只有2×106次,比起光在真空中每秒17公尺3×1012次來的慢了許多。兩年後,物理學家進一步將EIT系統的雷射關閉,使光脈衝處於停止的狀態,經數微秒後,光脈衝有效的被鈉(Na)原子所儲存,直到再次把雷射打開,存在原子理的光將再次被釋放出來。在EIT系統中,使得光速減慢的原因在於光的群速度光;光的群速度為平均光波所傳遞光的能量。這些有效的光速減慢或光停止的現像可以讓我們可以用來在訊號處理中使用,而發展量子記憶資訊學家們便利用此現象作為量子網路。

為了防止竊取者近而發展出量子網路,量子網路是利用量子力學中的隨機性來傳遞訊息,不同於現今傳遞訊息的方式。在量子世界中,一旦對它為量測時,它的相位即損壞。基於此原因,訊號若要被儲存在記憶體中,是不能有任何紀錄殘留。因此,光將成為量子資訊中重要的載體而慢光效應可以做為量子資訊的記憶體。

以往物理學家們實現慢光效應或光停止現象建立在於原子身上。如今一位位於加州理工學院物理學家Oskar Painter及他的學生們提出:慢光效應可以簡單製作在利用奈米尺度下的矽晶片。晶片蝕刻的研究人員表示,在矽晶片上做了小洞並且將溫度降至絕對零度9度以上,當光脈衝靠近系晶片時,這些小孔洞將會變形,並且更緊密的排在一起。

執行EIT系統,Painter’s group利用不同的光脈衝照射在矽晶片上,當兩道雷射光作拍頻後照射,該這些小孔就會產生音叉般的震動,而振動頻率就如同原子的共振頻率。研究人員指出,在這樣的架設系統下,可以將光減速到光速每秒40公尺,比起光在真空的速度每秒299’792’458公尺慢了許多。

如此般的進展,對於量子資訊學家來說是一項很大的突破。位於西班牙巴賽羅邦中的光子科學研究所的Hugues de Riedmatten 表示,「在我看來,這是一項令人振奮的發展。」 他也提到,「這在量子記憶體上是一個很重要的一步,並且可以為許多的量子技術上的應用。」

參考資料:ScienceNow: Light Slows at the Nanoscale [16 March 2011]

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