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如何通俗理解我国科学家把「光存储时间提升至一小时」这一成果?有哪些应用场景和价值?

匿名用户的回答

2021/04/30 编辑

文章的最后集中回答了评论区反复问到的几个问题。


我是论文的第一作者。看了一下前面几个回答,误解较多,所以想认真回答一下。

光存储(optical storage)是一个比较宽泛的概念。光通信和光存储作为两大光学技术,在我们日常生活中已经随处可见。光盘是典型的光存储设备,具有抗电磁干扰、存储容量大、寿命长等优点。微软、华为等公司目前正在研究新一代的光存储技术。

本文中所做的工作并不是通常的光存储,而是「相干光存储」。这里有必要区分几个概念,如图:

「相干光存储」只比光存储多了两个字,但是技术难度骤然上升。对于经典信息的存储来说,数字信号只需要以0和1两种形式保存起来即可,这可以对应于光的强与弱两种状态。例如CD-R光盘在用激光进行刻录时,利用强光在有机染料上烧制出凹凸不平的结构,用来进行0和1的编码。但是这种存储方式丢掉了光场的很多信息。

光作为一种电磁波可以写成如下形式:

vec{E} = vec{E}_{0} e^{i(omega t+vec{k}cdot vec{r})}

可以看出光具有偏振、振幅、频率、相位、位置等多种信息维度。在光通信中,这些维度全部都是宝贵的资源。每多一种维度,信息的复用能力便能够得到倍增,由此而衍生出了波分、时分、空分等一系列复用技术,极大地扩展了光通信的信道容量。但是在传统的光存储技术中,这些信息没有被很好的保存。其中难以进行存储的一个维度就是相位。我们将能够保存光场相位信息的存储称为「相干光存储」。

所以问题来了,光场的这么多信息维度有什么用?光盘不是已经能够满足日常生活的需求了吗?光子存储器的真正作用其实是在量子信息技术中。在长距离的量子通信中,需要使用光量子存储器将光子短暂地保存在其中,以方便在通信节点之间同步各种操作;在分布式量子计算中,光量子存储器也可以用于量子态的暂存。这里,「光量子存储器」是一个比相干光存储器更加严格的要求,因为光场若要想具有量子的性质,单个光脉冲中只能包含很少量的光子数,在这种情况下,信噪比和存储效率将成为巨大的挑战。

那究竟怎样的介质才适合用于相干光场的存储呢?物理学家们很自然地想到了原子。具有合适的能级结构的原子可以将光子吸收,将自身激发至更高的能级上,形成高能级与低能级之间的叠加态。在量子力学中,原子的状态由波函数来描述,而波函数和电磁波非常类似,具有偏振、振幅、频率、相位等信息,这恰好为光场提供了合适的存储界面。如果能在原子与光场之间建立一种映射关系,那么就能够将光场地存储在原子中,同时保存光场的各种信息。我们将这样的一种存储介质称为「相干光存储器」。但是,原子的光学激发态与基态之间的相干寿命往往十分短暂,最长也不过才毫秒量级。

更进一步地,如果我们能够按照自己的意愿在任意时刻进行读取,我们称之为「按需式」(on-demand)读取,这是一个更高的要求。早在1999年,L. Hau等人在超冷钠原子气体中基于电磁感应致透明(electromagnetically induced transparency, EIT)原理首次观测到慢光(slow light)现象[1],使光的群速度从真空中的 3times10^8~m/s下降到 17~m/s ,仿佛将光冻结在了介质中一样。这种存储光的方式就不属于按需式读取,因为当光场入射进介质后总是会在一个确定的时间发射出来。

这种基于慢光效应的存储并没有真的将光停止住,只是将光速变慢了,另外也不能支持按需式读取。但物理学家很快就在此基础上想出了新的办法来解决这些问题。2000年,M. Fleischhauer和M. Lukin在理论上提出,可以在原子被激发后利用一个控制光场将该光学激发转移为另一个寿命较长的亚稳态的激发[2],实现光子的捕获。将光存储在原子的亚稳态能级之间可以显著地提升光子的存储寿命;此外,光子的写入和读出取决于控制光场的时机,因此可以实现按需式的读取。

截止目前,潘建伟教授的研究组基于铷原子系综的冷原子存储器是最接近实用化的光量子存储器,实现了0.22秒的存储寿命和76%的存储效率[3]。但使用原子系统作为存储介质,其存储寿命仍然受到很多因素的限制。对于热原子来说,原子的无规则运动会导致原子的失谐、碰撞加宽,破坏原子系综的相干性;对于冷原子来说,光阱带来的交流Stark效应会导致原子在毫秒的时间尺度上的退相干。原子系统中最长的光存储时间在1分钟量级,同样是在冷的铷原子系综中实现的[4]

平行于原子系统的存储,基于固态系统的存储在过去20年中也取得了一系列进展。尤其是固体中的掺杂稀土离子系统,由于晶体环境和它们的电子层结构很好地保护了它们的4f电子和原子核的相干性,这种系统在低温下天然地具有相当长的相干寿命。2013年时,同样是基于EIT协议,德国达姆施塔特大学的研究组在掺镨硅酸钇这种介质中实现了1分钟量级的光存储[5]。2015年时,澳大利亚国立大学的研究组证明掺铕硅酸钇在磁场中具有6个小时的核自旋相干时间[6];但是,由于这种材料在磁场下的能级结构十分复杂且未知,一直未能在此基础上实现光存储器。

接下来是我们研究组的工作[7]。我们首先搭建了一台光探测核磁共振谱仪去研究了掺铕硅酸钇在磁场中的能级结构,在此基础上我们像澳大利亚国立大学的研究组的做法一样,将晶体放置在一个特殊的钟跃迁(clock transition)磁场中。在该磁场中,铕离子系综的某个核自旋跃迁的频率关于磁场的一阶变化率为零,因此该跃迁可以很好地抵抗环境中的磁场扰动,有效地延长它们的相干寿命。我们在实验上采取的存储协议叫做「原子频率梳」[8](atomic frequency comb)。原子频率梳指的是原子系综基态上的周期状的吸收带结构,如下图所示,这里不再展开说了,可以参考引用的文献[8]。光子被吸收后会激发铕离子系综中的一部分铕离子至光学激发态,然后,类似于EIT协议,使用一个控制光场将这个光学的叠加态转移为原子核自旋态的叠加态。如果这两个核自旋态之间的跃迁恰好处于上面提到的钟跃迁状态,则会使存储过程具有相当长的相干寿命。在实验中,我们也的确是这么做的。当我们需要读取时,就再一次用控制光脉冲将自旋态映射回光学态,离子系综会发射一个回波(echo)信号,也就是读取出的信号。

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在自旋存储阶段,还需要利用射频脉冲序列来不断翻转铕离子系综的自旋,使得环境的不均匀性在不同离子上产生的相位「色散」不断得到补偿,以保持整个系综的相干性。这种相干保护操作叫做「动力学解耦合」[9][10](dynamical decoupling),也可以显著提升自旋系综的相干时间。在以上这些技术的共同作用下,光脉冲的存储寿命得到了显著地延长。但是仍然会有一些不可避免的退相干因素会干扰系综的相干性,读取出的脉冲强度因此也会随着存储时间的拉长而衰减。我们最终观测到的最长的1/e寿命为52.9±1.2分钟。

为了验证我们的存储器具有相位保护的能力,我们设计了一个光脉冲的干涉实验对其进行了验证。原理大致如下:我们将时间间隔为t,相位差为Δφ的两个光脉冲写入存储器,经过一段时间的存储后,我们使用时间间隔同样为t的两个控制光脉冲进行两次读取;每一个控制光脉冲都会读取出写入的两个脉冲,也就是说两个控制光会读取出四个回波。但由于写入脉冲和控制脉冲之间的间隔都是t,这会导致第一个写入脉冲的第二个回波与第二个写入脉冲的第一个回波在时间上产生了重叠,从而发生干涉。我们验证了,经过1个小时后从存储器中读取出的脉冲仍然可以发生很高可见度的干涉效应,这证明了写入的两个光脉冲之间的相对相位信息被很好的保存住了。

以上就是这个工作的大致介绍。与原子系统相比,硅酸钇中的铕离子系综具有更好的相干特性,这是因为它与外界的相互作用较弱,更不易受到干扰。但是,也正是因为这个原因,它与光场之间的相互作用也较弱,这导致存储效率相较于原子系统要更低(打个不恰当的比喻,如果把迪迦奥特曼存进了存储器,读取出来之后他会发现自己衰弱了一大截)。想要在此基础上实现光量子存储器,还需要在效率和信噪比上进一步努力。


Q&A

  1. 为何匿名?

只是想保护一下自己的知乎账号而已2333。我只是个普通人,在自己的领域内懂得稍微多一些,并不值得这么大的关注度。如果我的回答对您有用、或者让您感到有趣,那我觉得这篇科普就写得很值了。有不少评论说看不懂,我只能表示我尽力了,我在写的时候想的是能够让高中生感兴趣、物理学专业的本科生能够看懂一半即可;如果每个概念都去尝试解释,文章会太过冗长。

2. 读出来的光和存进去的光是同一个吗?

如果两个东西从任何角度看都是一模一样,那就可以认为它们是同一个东西。如果两个光场,它们的偏振、振幅、频率、相位、位置等维度都是一模一样的,那就是完全相同。在实验中,我们不会、也不必要求存入的光和读出的光完全相同,只需要足够相似即可;在物理学上,把足够相似的两个光场称为是「相干的」;如果存储器能够保持写入的光和读出的光足够相似,那我们称这个存储器是「相干的」。在原回答中我也介绍了怎样去验证我们的存储器的相干性,就是做一个光学的干涉实验,干涉实验的可见度就反映了存储器的相干保护能力强弱。

所以读出来的光和存进去的光是同一个吗?严格来说并不完全相同,但是足够相似。

3. 如果我把存了1个小时后的光再存进另一个存储器,是不是意味着又能存1个小时?如果我有无限个存储器,那是不是意味着我能永久存储光了?

想法很好,但是存储器中总会有一些不可避免的因素会导致不可逆的退相干,因此读取出的光脉冲强度会随着存储时间的拉长而衰减。我们读取出的光脉冲幅值在52.9分钟后就会指数衰减至1/e(37%),如果再进第二个存储器,光脉冲会继续指数衰减。读取信号过小的话也就没有使用价值了,因此我们不会这么做。

4. 既然光会衰减,那我们用一个光放大器把它放大不就行了?

不可以这么做,因为量子力学中存在不可克隆定理[11],光子一旦被复制就会破坏原先的状态。这就是为什么存储效率很重要的原因,也是为什么存储光子看起来这么困难的原因:因为光子一旦进了存储器,我们就只能眼睁睁看着它衰减,最多只能用一些手段来延缓这个过程,但无法逆转。

5. 可以存储量子纠缠态吗?

目前还不可以。我特地在原文中强调了相干光存储器与光量子存储器之间的区别,后者是前者的子集。因为后者要求光脉冲中只能包含很少的光子,因此对存储器的效率和信噪比要求更高,这是将来努力的方向。

6. 有哪些应用场景和价值?

大家可能在新闻稿中看到了量子U盘这个词,但是不太明白到底是什么意思。这个概念其实是指将携带量子信息的光子存入存储器中,然后利用经典的交通工具来对存储器进行运输以实现两地之间量子信息的传输。为什么要用这样一种看似笨拙的方法来传递量子信息呢?因为光子在光纤中的传输损耗还是太大了,随着距离的拉长而指数衰减。有人做过估算[12],对于500公里的传输距离来说,光子的传输效率仅为 10^{-10} ,也就是说100亿个光子中只有1个光子能够有效地通过光纤传输过去。如果我有一个存储寿命在小时量级的光量子存储器,那么这种基于经典运输的方式反而更能够更加有效地传输光子。但就像我原回答中所说,我们目前的存储器还不是光量子存储器,还有很多技术挑战需要解决。

对于我们的日常生活来说,量子U盘这个概念确实太过于遥远。评论区中也有朋友提醒了我,全息胶片是需要记录光场的相位信息的,因此也可以算是相干光存储器。但是与我们的存储器区别在于:全息技术需要对光进行测量,但测量的步骤对于光子来说是破坏性的,因此只适用于经典世界的强光;而使用原子或离子作为存储器则是非破坏性的,无论是强光还是单个光子。因此要想实现真正的光量子存储器还是得用微观物理系统。

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