把「光」存储1小时，中科大新研究破世界纪录，保真度高达96.4% | Nature子刊

Posted 2021-07-15 QbitAl

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

把光“封印”1小时，放出来后还是“活”的，这可能吗？

现在，来自中科大的郭光灿院士团队真的做到了。

他们将600米的光脉冲停下来，在厚度5mm的晶体中保存了1个小时，取出后的信号保真度还能达到96.4±2.5%的水平！

△掺铕硅酸钇晶体

这样的存储时间，直接打破了德国团队之前将光存储1分钟的世界纪录，还翻了60倍。

清华大学马少平教授看后也表示：不明觉厉~

当然，对于大家更感兴趣的“时光倒流”，中科大副教授周宗权在采访中表示：

根据相对论，要想实现时间倒流，需要运动的速度比光速更快。这项实验没有改变真空光速，因此没有打破相对论，不能实现时空倒流。

网友：手动艾特推翻相对论的那位教授（狗头）

所以，光存储到底是怎么做到的？

将光变慢，用特殊晶体“封印”1小时

要想实现光的存储，需要三个步骤：将光变慢、存储光信号、读取光信号。

第一步，将光变慢。

这一步并非最难的，只需要人工将介质的折射率调控到原来的几十万倍，就能让光在介质中“慢”下来。

当然，这并不是要去找一个折射率巨大的介质，而是需要通过某些“特殊手段”将折射率放大。

例如，哈佛大学在1997年就曾经利用一种接近绝对零度的超流性气态原子云，将光的速度降低到17米/秒。

这种原子云的状态，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态。在这种特性下，原子的特性会发生许多变化，例如用激光就能使其折射率骤增，导致光速骤减，达到每秒几米甚至冻结。

这时候，由于光的速度已经非常慢了，因此光的等效长度就会变短（光波长度=介质光速×时间长度），能够被保存到晶体中。

第二步，就是存储光信号了。

之前德国团队采用了一种方法，把光存储在一种名叫掺镨硅酸钇晶体的物质中，让它保存了1分钟。

这种特殊的晶体具有磁诱导透明效应，在特殊激光的照射下，不会吸收特定频率的光，也就是变得透明。

然后，再将要存储的光送进晶体中，关闭特殊激光后，光信号就会被存储在晶体中，其中就包括光的相位、偏振等状态信息。

团队成员周宗权表示，由于晶体中的原子不会离开晶格，只能在原位来回振荡，因此能够像渔网一样将光场牢牢“抓住”。

但由于晶体自身的原因，这一过程有时间限制，德国团队采用的掺镨硅酸钇晶体，就只能将光存储1分钟，超过这个时间就会发生信号失真。

而这次中科大团队采用的掺铕硅酸钇晶体，成功将存储时间延长到了1小时。

这种晶体同样具有磁诱导透明效应，再结合上团队采用的原子频率梳（AFC）量子存储方案和 ZEFOZ 技术，最终成功实现了长时间的光存储。

第三步，就是读取光信号了。

这一步会重新将特殊激光照进晶体中，让光信号被导出。

为了降低背景噪声对光信号的影响，中科大团队还在晶体外部加入了周期性翻转信号，既能延长存储时间、也能对光信号起到保护作用。

最终，被还原的光信号，存储保真度达到96.4±2.5%，意味着中科大这一系统具有极高的相干光存储潜力。

存储后的光，究竟有什么用？

离实现量子U盘更近了

郭光灿院士团队表示，下一步将计划实现一个光的量子U盘。

量子U盘是什么？

简单来说，量子U盘是一种具有超长寿命，且能存储光子的量子存储器。

此前，我们要进行安全性高的地面量子通信，需要依靠遍布全球的光纤网络。

然而光纤网络会发生光损失，导致远程量子通信难以实现。

如果能实现量子U盘，就不需要再建立量子中继，而能够直接通过运输量子U盘来传输量子信息了。

到时候，无论是用卡车还是飞机，都能将量子U盘带着到处跑。

不仅如此，量子U盘在全球卫星量子通信、甚长基线干涉天文测量系统等领域也都能够被广泛应用。

简单来说，如果将两台望远镜捕捉到的光放在一起处理，就能突破单个望远镜的尺寸局限，大幅提升观测精度。

嗯，有点期待了。

团队介绍

目前，这篇论文已经登上了《自然·通讯》，作者均来自郭光灿院士团队。

从左至右，依次为团队中的周宗权、马钰、李传锋：

△图源：新华社

对光存储技术感兴趣的小伙伴，可以戳下方地址查看~

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y

参考链接：
[1]https://weibo.com/2803301701/KlvgQcgTg
[2]https://3g.163.com/dy/article_cambrian/G90P3MHN05346RC6.html