光盘能存储几十年,中国科学家把光存了1小时,为何是进步?

  最近,郭光灿院士领导的中国科学家团队将光在一个特殊晶体里保存了1个小时,一举刷新德国科学家保持了8年的(1分钟)世界纪录。这意味着未来光量子U盘将不是一个遥不可及的梦。

  光在真空中的速度达到299792458米/秒,简单说就是每秒30万千米,太阳到地球的平均距离约1.5亿千米,一束光从太阳到达地球的时间约为500秒(8分20秒);从地球发射一束光到月球,大约只需要1.28秒。

  光可以停止吗?以目前的理论看,光不可能停止,它在真空中的速度是恒定的。我们利用光来传递信息,却很难将光储存起来,因为在我们周围可见的尺度范围内,光总是转瞬即逝,物理学家们也认为光速就是宇宙中最快的速度。

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  星光包含了复杂信息

  光本身携带着丰富的信息,我们熟悉的无线电波就是光,由于波长比较长,我们肉眼不可见。天文学家利用光学望远镜和射电望远镜观察夜空,通过分析接收到光的各种频谱信号来分析遥远星球传递的信息,这些信息全都包含在光的频率(波长)、相位、振幅和偏振之中。但是我们现有的计算机,包括运算速度最快的超级计算机都是以0和1来存储、传递和处理信息的,对于光而言,它只包含两个状态“没光”和“有光”,光所拥有的其它所有信息全被浪费掉了。这就是为什么量子计算机比普通计算机快亿亿倍的原因:量子计算可以利用光的几个维度信息,而传统计算机只判断“0和1”

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  LED的亮与灭可以表示为1和0

  现在你应该明白了,即便我们搞出了量子计算机,还用传统的硬盘或者U盘来存储信息是远远不够的,这就相当于你造了个火箭,却让它烧无烟煤。我们需要用光量子存储技术来代替传统存储技术,尽可能多地利用光所携带的多维度信息来发挥量子计算机的优越特性。

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  光携带的信息是多维度的

  有朋友说,我们之前用的CD、DVD还有蓝光光盘,不就是光存储吗?实际上,光盘依然采用传统的信息存储模式。光盘看似平整的表面被蚀刻出一个个长短不一的凹坑,短代表“0”,长表示“1”,当我们将激光照射在高速旋转的盘面时,接收器就能接收到长短不一的反射信号,解码器将这些信号转化为“0111010010101111”二进制字串就能被计算机识别和处理了。换而言之,光盘并不存储光,而是通过图案将连续的光信号转化为长短不一的脉冲信号,从而实现信息存取。

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  光盘表面的凹坑存储信息

  量子计算需要我们存储光子本身,这就意味着要把特定的光限制在一个微小的可控空间里。如何做到?

  有人会说:这还不简单,做一个六面全是反射镜的盒子,光就会被困在盒子里不断反射,一直循环下去啦!

  你将一支点燃的蜡烛和一部相机放进一个由镜子制成的盒子里时,能拍下令人震撼的画面,由于光在镜子间的不断反射,图像中会出现无数支燃烧的蜡烛。这是不是意味着光会在玻璃盒中无限反射呢?

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  玻璃镜盒里的蜡烛图像

  事实并非如此,即便是用反射率达到99.999%的镜子(实际上这并不可能)制成的盒子,当你切断光源,盒子里的光会很快消失。这是因为当光子撞击镜子的表面,它会被镜面的电子“海洋”反弹回来,而在光子被“踢”出来的同时,它的一部分能量会传递给镜面,这些能量作为机械力耦合到镜面的原子中变成热能,这就意味着每一次的反射都会“阵亡”一批光子。光的速度是如此之快,眨眼之间所有的光子都在与镜面的反复撞击中将能量传递给盒子,结果是盒子温度升高,光子消失。

  由此可见,用反射盒子或反射屋子存储光的办法是徒劳的。

  学过物理的朋友应该记得,光在介质中的“速度”低于光速。比如说光在30℃纯水中大约是22.5万千米/秒,这是因为水的折射率约为1.33;如果是一块折射率为1.5的玻璃,光在其中的传输则只有20万千米/秒。用公式表示就是:

  V=c/n

  c表示光在真空中的速度,n则是介质的折射率。

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  光在穿过晶体后发生折射

  经常有人将光在介质中的传输过程理解为光子在原子的空隙间不断碰撞,它走的距离更长,导致速度变慢。其实这是一种错误的理解。

  实际上当一个光子深入到介质之后没多久,它就消失了。介质是如此稠密,一些频率的光子不可避免地会撞上电子云,从而将能量传递给电子,这种现象在物理学中被称为“耦合”。光子的本质是能量,当它将能量传递给电子后,就变成了电子的一部分;电子获得能量后变得不安分起来,它会产生“跃迁”,跳到更高的能级。

  当电子从高能级轨道回落到它原来的轨道时,会重新向外释放一个光子,这个新释放出来的光子基本保留了原来那个光子的所有特征,可以被看作是前一个光子的孪生兄弟;然后这个光子又会撞上另一个原子,开启一轮新的循环,直到它飞出介质。

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  电子吸收光子和释放新光子

  利用光子在介质中传输的特性,科学家需要找到合适的材料,通过材料中电子跃迁和回落的时间差来拖慢“光速”,从而增加光留在介质中的时间,达到存储光的目的。

  经过反复的探索和实验,郭光灿院士团队成功地利用铕掺杂硅酸钇系综这种物质将光子留在其中长达1个小时。

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  光子存储器原型

  实现光的“存储”对普通计算机来讲没什么用处,但对于量子计算的意义重大。此前最接近实际应用的光量子存储器由潘建伟院士团队研发,科学家团队利用铷原子系综的冷原子存储器,成功将光子存储0.22秒,并且达到76%的存储效率。郭光灿院士团队将这一时间大幅度延长,对于量子计算机的发展具有跨时代的意义。