光速那麼快，怎樣才能讓它停下來？
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減緩光速的科學家
Lene Vestergaard Hau 是丹麥物理學家。在 1999 年，她領導一個哈佛大學團隊利用超流體成功地減緩一束光至每秒約 17 米，而在 2001 年，她能夠讓一束光完全凍結。後來，她基於這些實驗研究了光與物質的相互作用和轉化，這樣的過程對量子加密和量子計算有重要意義 [1]。
Lene Hau，1959 年 11 月 13 日出生於丹麥，在丹麥奧胡斯大學獲得數學學士學位和碩士學位以及物理學博士學位，後來在哈佛大學和附近的羅蘭科學研究所工作。Hau 在整個 20 世紀 90 年代的研究重點是發展能夠減緩光速的超冷氣體。她開創了一種冷卻鈉原子的技術，並由此在溫度非常接近絕對零度的時候實現了一種叫做「玻色-愛因斯坦凝聚態」的新物質形態。正是在這一玻色-愛因斯坦凝聚態 (BEC) 中，她和她的團隊成功減緩了和凍結了光束，並且實現的了對光場中的信息進行存儲和處理 [2]。
讓我們來看看 Lene Hau 究竟做了什麼？
玻色-愛因斯坦凝聚
實驗上實現的玻色-愛因斯坦凝聚，上圖的峰代表大部分粒子都集中在一個狀態上（圖片來源：維基百科）
減緩甚至凍結光束的理論部分要從玻色和愛因斯坦開始說起。玻色-愛因斯坦凝聚（Bose Einstein Condensate），簡稱為 BEC，是指玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態。上世紀 20 年代，年輕的印度物理學家 Satyendra Nath Bose 和科學巨匠 Albert Einstein 以 Bose 本人關於光子的統計力學研究為基礎，預言了當玻色子原子體系被冷卻到低於臨界溫度時，幾乎全部的原子都會聚集到能量最低的量子態，從而形成一種全新的相態。
根據量子力學的基本規則——不確定性原理，粒子的動量（或速度）越精確，其位置就越不能精確，反之亦然。在恰好零度（實際上永遠無法達到）時，粒子將具有零動量，即精確值。這意味著粒子的位置將是高度不確定的。極低溫下的玻色子原子由於動量極小，因而位置非常不確定，佔據的體積大大增加，原子的波函數疊加在一起，重疊併合並成為玻色 - 愛因斯坦凝聚態。
玻色 - 愛因斯坦凝聚態很難理解也很難形成，直到 1995 年，科學家才實現第一次「純」的玻色—愛因斯坦凝聚態。它有著許多非常有趣的特性，由此延伸出很多神奇而深刻的研究。比如它們可以有異常高的光學密度差，使用激光可以改變玻色—愛因斯坦凝聚態的原子狀態，使它們對一定的頻率的折射率驟增，這樣光束在其中的速度就會驟降，甚至到數米每秒。Lene Hau 和她的團隊正是利用這一特性實現了光束的減緩和凍結 [3]。
減緩並凍結光束
1994 年，Lene Hau 和合作者設計並製造了一種巧妙的原子束光源。該裝置可以通過加熱金屬鈉，使其融化並蒸發，而後將蒸發出的熱鈉原子從一個針孔裝置射出到冷卻裝置中。冷卻裝置主要由激光束構成，室溫下鈉原子會高速移動，但是當它們被激光束從三個方向轟擊時，它會失去能量並減速冷卻下來。通過一系列複雜的過程，Lene Hau 可以成功地捕獲一批溫度極低的鈉原子。整個冷卻過程需要大約 38 秒，可以將鈉原子云冷卻到幾個 nK（K：絕對溫標單位）的溫度，這是一個非常低的溫度，遠遠低於自然界中的任何溫度。在這個溫度下，鈉原子云凝聚形成玻色-愛因斯坦凝聚態。
一旦產生玻色-愛因斯坦凝聚態，Hau 就將一束與低溫原子云共振的耦合激光射向原子團，使得原子云和激光中的光子彼此耦合「糾纏」在一起，就好像它們是同一個實體。而後 Hau 將另外一束探測脈衝激光從不同的方向再次入射到這一體系中，探測光中有一些光可以通過原子云，但速度只有真空中光速的大概 2000 萬分之一。Hau 在 1999 年發表的文章中成功實現了這一過程 [4]，將光束的速度降到了大約每秒 17 米。兩年後，她成功地凍結了一束光。
對光場信息的存儲和操縱
光脈衝在 BEC 之間的傳遞（圖片來源：參考文獻[5]）
在 2007 年，Hau 的小組進一步實驗。她們首先凍結了一束光。當光脈衝被完全壓縮並被完全包含在低溫原子云中時，該團隊突然關閉了耦合激光器。低溫原子云的特性發生改變，這使得光脈衝無法透出低溫原子云，被困在裡面。而當她們重新打開耦合激光器時，原來的光脈衝則會從低溫原子云的釋放出來。在低溫原子云中，光脈衝被壓縮了大約 5000 萬倍，但不會丟失其中存儲的任何信息。信息由此從光信號轉移到物質中儲存。
另外，在兩個低溫原子云之間，存在著行進的物質波，它可以將初始光脈衝的信息精確複製並傳輸到下一個低溫原子云。當物質波在原子云之間傳播時，速度大概是每小時 200 米，在此期間人們可以將其捕獲，並以任何我們想要的方式重塑和改變它 [5]。
「這項工作可能會在控制光學信息方面提供新的途徑，並應用於量子信息處理和量子密碼學領域」，Hau 說，「有朝一日，在使用光子而不是電子來攜帶和處理信息的量子計算機中，慢速或凍結的光可能會大放異彩」。
參考文獻
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Lene_Hau
[2] https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.6.20171113a/full/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate
[4] Hau L V, Harris S E, Dutton Z, et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomicgas[J]. Nature, 1999, 397(6720):págs. 594-598.
[5] Ginsberg N S, Garner S R, Hau L V. Coherent control of optical information with matter wave dynamics[J]. Nature, 2007, 445(7128):623-6.
出品：科普中國
製作：中科院物理所科學傳播協會
監製：中國科學院計算機網路信息中心
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