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物理学家利用原子“暗态”储存光
这项新技术可以用于从纠缠的原子云中创造量子网络 。
在致密的原子云中 ， 首次观察到这种效应
(图源：美国图片供应）
事实表明 ， 上升的东西不需要再下降 。 物理学家们首次在致密原子云中成功观测到一种被称为亚辐射的现象 ， 在这种现象下 ， 原子呈激发态纠缠 。 他们在一项新研究中报告道 ， 利用亚辐射可以允许科学家们在原子云中建立一个可靠并且长效的量子网络 。 原子通过吸收光子（光粒子）来获取能量 ， 使它们的原子从能量最低的基态跃迁到能量较高的激发态 。
一旦它们到达激发态 ， 原子便会自动发出光子 ， 然后又回到基态 。 但并不总是这种情况 。 如果许多原子聚集在一起 ， 并且被比发射光子波长更短的距离分开 ， 那么它们发出的光就会被自我抵消 ， 原子也会一直保持在激发态 。 这个过程叫做亚辐射 ， 其有效避免了集群激发态原子的衰败 。 亚辐射之前只在稀化原子集合和有序原子列阵中被观测到 ， 但从未在致密原子云中被发现 。 亚辐射能发挥作用是由于一种叫相消干涉的现象 。 当两个具有相同波幅的光波占据同一空间时 ， 其波峰和波谷可以建设性地对齐相加 ， 从而产生比原来亮两倍的组合光波 ， 或者 ， 破坏性地将两个光波完全消除 。
但是 ， 原子云发出的光的抵消如何保持原子激发态呢？据研究人员所说 ， 要理解这个的关键就是观察亚辐射量子力学——统领亚原子领域的奇妙的概率规则 。
在量子世界的微小尺度上 ， 粒子都具有类波特性 ， 并且能同时在点与点之间的所有无限路径上运动 。 粒子所选择的路径和我们所观测的路径取决于类波粒子之间如何互相干扰 。 真正使原子处于激发态的并不是任何发射的光子之间的破坏性干涉 ， 相反的——这也是奇怪之处——它发生的可能性首先阻止了光子的发射 。
共同作者洛伊克·亨里埃 ， 一位法国量子工程公司帕斯卡尔的工程师 ， 在回复生命科学的邮件中写道：“要搞清楚一件物理事件发生的概念 ， 就需要把该事件所有的路径总和起来 。 在一些情况下 ， 路径会显著干涉并且增强现象 ， 但在另外一些情况下 ， 破坏性的干涉会影响抑制发生的概率 。 单个原子释放的光子的破坏性干涉阻止了原子系统中集合共享的原子激发态的衰变 。 ”
为了首次在致密气体中引介亚辐射 ， 团队利用光镊陷阱将冷铷原子的无序云限制起来 。 这项曾在2018年获得诺贝尔物理奖的技术利用了高强度的激光束使得粒子得以在空间中维持不动 ， 然后第二束激光激发铷原子 。 许多激发态原子会通过一种叫“超辐射”的过程然后迅速衰变 ， 这个过程和亚辐射有关 ， 但是 ， 是原子将其发出的光组合成超强的闪光 。 但是一些原子停留在亚辐射或者“黑暗”状态 ， 无法发射出可以破坏性干涉的光 。 随着时间推移 ， 一些处在超辐射状态的原子也会变成亚辐射状态 ， 使得原子云也越来越亚辐射化 。
“我们只是单纯地等待这个系统自己衰变到黑暗状态 ， ” ， 亨里埃说“动力衰变十分复杂 ， 但我们知道相互作用会以某种方式使系统在更长的时间内来填充亚辐射 。 ”
一旦他们找到方法制造亚辐射云 ， 科学家们会通过调整光镊将原子从黑暗状态中震出 ， 使原子发出不具备破坏性干涉的光 。 而这会导致来自亚辐射云的一阵光 。 团队还制造了不同形状和不同大小的云 ， 旨在研究其特性 。 只有在激发态云中的一定数量的原子才能影响自身的寿命——有越多的原子在里面 ， 那它们衰变回基态所需的时间就越长 。
“干扰效应是集体效应 ， 要使其发生 ， 你需要有几个发射源 。 当你增加发射源 ， 它就会更显著 ， 当仅有两个原子时 ， 也有可能发生某种程度上的亚辐射 ， 但它所具备的物理效果是十分微小的 。 通过增加原子的数量 ， 人们就可以有效抑制光子发射 。 “亨里埃说道 。
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