如何“留住光”

刘晓英　阮文琳　张育新

我们可以握住沙、触摸水，甚至将气体装入玻璃瓶内，而光就像时间，转瞬即逝，我们看得见它却摸不着，那要如何才能把它“留下”呢？

光是一种处于特定频段的光子流，以电磁波的形式直线传播，其本质是交互变换的电场和磁场。变化的电场会产生磁场，变化的磁场又反过来产生电场，这样就会形成电磁波。我们平时所看到的五颜六色的光其实就是不同波长所带来的颜色差异。

爱因斯坦的狭义相对论也对光的传播有所描述：光子一旦产生就会以光速运动，因为它们静止时质量为零，所以当光子穿过量子场时，不会发生相互作用。也就是说，光的传播不需要能量，一经产生，就能够以光速永远地传播下去。那么对于这样快速运动，无法触碰的东西，我们是否真的能够“留下”它呢？光的传播速度非常快，它在真空中的速度高达3×108m/s，在空气中由于气体微粒等介质的存在，传播速度会稍慢些，而在折射率更大的介质中，传播速度还会更慢。科学家们正是利用光传播中的这一特性，通过降低光的传播速度，让光先“慢下来”，然后使用一种特殊的物质让它“留下来”。

通常的光子运输就像铁路运输一样，光纤网络就像一条条纵横交错的铁道，而量子中继器就是其中负责集合和分配的中转站，以此来构建一个庞大的“光子运输系统”，即量子网络。而由于一些技术瓶颈问题，“铁路”的长度受到一定限制，因此“中转站”之间的远距离连接也成为一大挑战。

仔细想想看，当我们在选择铁路这种出行方式受限时，就会选择乘坐飞机，其实光子也是同样，这也是我们要“留住光”的意义所在。“留住光”能够实现光的量子U盘，也就是将光子保存起来，像把它储存在U盘里，通过运输U盘来传输量子信息，因此不用再去建立“中转站”——量子中继器，可以脱离“光子运输系统”，把单个光子的量子态放到存储器里面。只要存储器寿命够长，它就可以像一个乘坐飞机的经典U盘一样，想去哪里就可以飞到哪里。这种“封闭式运输”的方式无疑提高了运输过程的私密性和安全性，量子通信相比于经典通信主要的优势就在于安全性，它更大的价值会体现在类似政府或军事等信息传递上对安全性要求更高的领域。

中国科学技术大学的郭光灿院士团队就在“留住光”这项工作上取得了重大进步。这些科研人员将光“封印”在一个仅5毫米厚的特殊晶体中长达1个小时，大幅度刷新了八年前的德国科学家们所创造的1分钟的记录。在这项实验中，光的传输速度被下调了几十万倍，因为光速变慢了，所以600米长的光脉冲等效空间长度也被压窄了，相当于光更容易被“捕捉”了。

许多科学家都曾做过“留住光”的实验，他们大都使用了一种叫作Eu：YSiO或Pr：YSiO的晶體来“留住光”，这种晶体是指掺杂Eu（铕离子）或Pr（镨离子）的YSiO（硅酸钇）晶体，这两种元素包括Y（钇）都是稀土元素，它的得名是因为瑞典科学家在提取稀土元素时应用了稀土化合物，所以得名稀土元素。大多数稀土元素呈现顺磁性，是指这种物质对磁场响应呈现出较弱的磁性，且通常有较高的硬度，所以稀土元素在电子等领域有广泛应用。

这种晶体有什么特别之处呢？

掺杂了Eu或Pr的YSiO晶体主体是SiO（二氧化硅），它是一种神奇的物质。在SiO晶体中，硅原子位于正四面体的中心，四个氧原子位于正四面体的四个顶角上，许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连，每个氧原子为两个四面体共有，也就是说每个氧原子都与两个硅原子相结合，最终呈现出这样一个坚硬的晶体结构。

基于此，YSiO呈现出表面疏松多孔的形貌，当光子传到晶体中时，其中的原子就会像渔网一样把光子给捕捉住，它们在晶体里的原子之间来回碰撞震荡，由于原子在晶体中的排列，所以光子也无法离开晶格，于是光子就这样被牢牢地抓在晶体里，光也就被“留下来”了。

SiO2晶体的原子排列

“乘坐飞机”的不只是一束光而已，看似简单，里面却富含了许多信息，一片小小的晶体能够“留住光”，还要同时储存光中的海量信息。“留住光”实验的成功实践，既不是意外也不是巧合，而是我国的科学家们经过反反复复地试验，用汗水和辛勤一点一滴浇灌出的成功花朵。

此次实践不仅大幅度刷新了以往的纪录，更是我国在技术和创新上的一大重要进步，这会为我国在通信、电子技术、政府军事等多个方面带来十分向好的发展。相信在未来会有更多科学家们成长起来，给中国和世界带来更多改变！