众所周知，光在真空中的速度约每秒300000km，要想比它跑得快是完全不可能的事情。要想知道光里面到底有什么，要么和它跑的一样快，要么把光慢下来，最好让它静止。而这个把光慢下来，甚至留住，正是光储存领域的科学家们孜孜以求的目标，而近日，这一目标在中国科学家手中迎来了具有实际意义的重大突破。
光作为一种传递能量和信息的媒介，在科学技术日益精进的今天，科学家们开始设想是否可以对光进行捕获和储存，进而实现大密度的信息和能量的传递。
拆开的光纤 来源丨网络
其实利用光进行信息传递已经不是什么新鲜的事情了，比如人们经常听到光导纤维，也就是光纤。光纤的工作原理很简单，就是利用光的全反射：当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。
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故而，光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成，以满足上述的全反射原理。这其实就是一种对光的“捕获”和“储存”，只不过在这个过程中，光仍旧以接近真空光速在运动，并非我们想象中的用一个类似于箱体的物质对光进行“静态”的封装存储。
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那么，怎么储存光？
首先，对光进行存储是保持它的什么性质不发生变化，这是我们需要理清楚的一件事。
在信息时代，计算机网络是基于电子这一微观粒子构建的。电子作为一种微观粒子，在运动的过程中伴随着能量增加或减少，根据这一特点，科学家和工程师们可以搭建集成电路，控制电能的定向运动，由此就产生的0和1信号，也就是通断信号，我们就可以用来传播信息。
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但是光量子的运用与电子的运用存在着不同，在对光量子进行利用的过程中，除了要考虑它的能量大小之外，光量子的本身是相位变化也需要控制在一定的精度范围之内，才能保证其存储的信息不发生变化且可以被读取到。故而，在存储光的过程中，相位不发生变化是首要问题。那么带来的一个必然问题就是，存储光量子，必然不能像存储电子一样简单。
和任何发明创造一样，光存储首先要在理论上进行探究解释。在1980-1990年代，相关的理论就已经开始发展，经过漫长时间的探索，科学家们发现了电磁诱导透明效应理论（Electromagnetically Induced Transparency，简称EIT）。这一效应可以简单解释成为：某种介质强烈地吸收某一频率的光束，而当再施加另一束能被介质吸收的光束时，介质对于第一束频率的光就不再吸收了。
三能级系统图 来源丨网络
目前人们普遍认识到要实现电磁诱导透明效应，应该满足两个条件：第一，需要有两束经过频率和相位锁定的激光，其中一束为控制光，有较强的光强；另一束为信号光，光强远远小于控制光强；第二，这两束光与三能级原子介质发生相互作用,并满足双光子共振的条件。利用这一效应，科学家们可以通过调节控制光的光强来有效操控光的群速度，进而对光进行减速。
简单来说，要实现电磁诱导透明效应，需要一种特殊频率的来作为“钥匙”，打开介质这个“减速器”，然后需要存储的信号光就可以在介质中减速了，不同的“钥匙”对应不同档位的“减速器”。
在可以对光进行减速的前提下，进而又提出了基于EIT效应的全光存储理论模型——暗态极子化模型，这一模型可以将上述的“减速器”的速度设置为0。
那么在这样的情况下，任何人都比光“走”得快了。
现在留给科学家们需要解决的是保持这一零速度状态的时间足以满足实际的工程需要的问题，而这正是21世纪以来国内外光存储领域的科学家们通宵达旦想要攻破的难关。
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储存光的介质
经过前面的解释，我们对怎么存储光已经有了一个浅显的认识：需要某种介质，这种介质在EIT效应的基础上，加以光路控制可以实现光存储，那么这种介质应该如何选择，需要什么特性的材料呢？
2001年，哈佛大学的Hau小组选用钠冷原子作为介质，实现了光脉冲信号的读写，存储时间达到1毫秒；而同时哈佛大学的Lukin小组在2003年，利用不同的控制技术在热原子介质中实现了800毫秒的光存储和释放。但是这短短的几百毫秒根本不足以用于任何的实际工程领域，怎么办呢？
在2005年，澳洲科学家实现在掺镨硅酸钇晶体固体材料介质中实现了1s的光存储，2013年，德国达姆施塔特大学的科研人员同样利用基于掺镨硅酸钇晶体介质实现了1分钟的光存储的世界纪录。在一秒到一分钟的突破中，澳洲和德国科学家选用的是掺镨硅酸钇晶体，其中镨是一种稀土金属，这为提高光存储时间的困局指出一条道路：选用掺杂稀土金属的晶体！
但是稀土金属有17种，每种金属元素的性质都不相同，怎么选择呢？并且为什么选择稀土金属呢？
德国团队的光路控制演示图 来源丨网络
我们把视线转回到中国科学家。在2015年的时候，中国科学技术大学的李传锋、周宗权研究组自制了光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，专门用于稀土离子掺杂晶体的能级结构分析。这一仪器为他们选择适用于光存储的介质奠定了基础。
在这一自主研发的实验仪器的帮助下，中科大的李传锋团队发现由于稀土离子的特殊外层电子结构，使得即便是在固体中，掺杂的稀土离子仍旧保持近似自由自立的光谱特性，可以很好地用于光存储及量子存储，并且具有长存储时间、大带宽、多模式，可集成发展的优势。这也就回答了为什么选择稀土元素掺杂可以提高光存储时间的问题。
六水合三氯化铕晶体，厚度约2mm，虚线内为存储实验所用区域
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在17种稀土金属中，中国科学家选择铕金属作为晶体中的掺杂离子，在他们的控制下，可以实现长达一个小时的光存储时间，理论上甚至可以存储一个月之久。
中国科学家团队所选用的金属铕是最为稀有的稀土元素，在地壳中的含量仅仅有0.000106%，选择出这样的一种掺杂离子实属不易。这都要归功于中科大的李传锋团队在稀土金属领域长时间独立自主坚持不懈的耕耘。
中国科学家的光路控制示意图 来源丨网络
在中国科学家的实验中，光总存储时间长达1小时，且光的相位存储保真度高达96.4±2.5%。具有里程碑式的突破，使得光存储真正具有了实际的工程应用条件，为大型的量子网络搭建奠定基础。
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实验有哪些实际意义？
最为重要的是光存储在量子通信中的作用。因为光纤传播的指数级的光子损耗，地面纠缠分发的距离当前被限制在百公里的范围内。
而光量子的存储可以建立量子中继器，克服这一损耗，在量子中继卫星中搭载这一光存储技术，一个小时的时间可以满足覆盖全球的量子信息传播，进而建立起远距离的量子通信网络。
储存光的晶体 来源丨新闻图片
我们可以把光子理解成为一辆载满信息的跑车，把中继器理解成为加油站。在长距离运输过程中，如果不加油，光子这辆“跑车”就会“丢掉”一些“负重”，也就是信息会失真，而光子在量子中继器这里“加油”，就可以保持其“负重”不丢失，也即保证了传输信息的质量。
此外，还可以将量子存储技术用于“U盘”中，制作成的量子U盘具有高保密性和保真性。即便丢失，其中的信息也无法被破译截取。但是当今的交通运输方式，即便是高铁和飞机在运输量子U盘时，在仅仅一个小时的存储时间内可以实现的运输距离也是有限的。仍旧需要在这一光存储的道路上继续前进。说不定在未来某天，我们普通人也能用上量子U盘和量子计算机。
来源：数字北京科学中心
审核专家：罗会仟
中国科学院物理研究所副研究员
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