量子怪異現象:停止的雷射脈衝在短距離外重現

超冷原子學會如何用光玩拋接遊戲

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哈佛大學的研究人員已經阻止了一束雷射脈衝的傳播,並在幾毫米之外的地方使其重現。令人驚奇的是:他們在一個被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)的超冷鈉原子雲中停止了它,然後在第二個獨立的BEC中重新啟動了它,就好像脈衝在兩個位置之間幽靈般地跳躍一樣。

團隊負責人、原子物理學家萊內·豪說:“這很奇怪,我們實際上可以使光脈衝復活,並將其送回原來的路徑,就好像什麼都沒發生過一樣。”除了作為一個巧妙的量子拋接遊戲,豪推測這項技術將來可能用於光通訊或超精密導航系統。

BEC雲之所以珍貴,是因為它們原子的精細量子態都一致振動,有效地創造了一個巨大的原子,可以完成單個原子無法完成的事情。例如,在1999年,豪的小組將凝聚態內部的光速減慢到“腳踏車速度”(38英里/小時)。在新實驗中,她和她的同事將一束控制雷射束照射到並排放置的兩個獨立的BEC。他們用雷射脈衝擊中第一個BEC,雷射脈衝減速並將其能量轉移到凝聚態原子的集體震顫中——一種類似於雷射脈衝的緩慢移動的物質波紋。


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研究人員關閉控制光束足夠長的時間,讓物質波有時間在BEC之間傳播160微米,然後重新啟用它。雷射導致物質波在第二個BEC內部聚結(傾倒原子),迫使周圍的原子像天線一樣輻射並再現原始脈衝。

豪說:“這真的是在很多不同層面上玩弄量子力學。”雷射脈衝和BEC之所以能夠交換能量,僅僅是因為凝聚態原子的量子態與雷射的頻率相匹配。結果,BEC進入所謂的疊加態,這意味著物質波同時存在又不存在。

德國凱澤斯勞滕工業大學的邁克爾·弗萊isch豪爾在《自然》雜誌2月7日線上發表的哈佛團隊報告的社論中說,物質波無法區分BEC,因為第一個BEC的疊加態意味著它部分處於與第二個BEC相同的原始、未受干擾的狀態。因此,在稍加提示後,它將其能量轉移到新的凝聚態中,完全逆轉了第一個凝聚態中發生的情況,產生了弗萊isch豪爾所說的“對量子物理學基本方面的引人注目且有趣的演示”。

豪說,它最終也可能具有實際應用。透過改變物質波聚結的位置,豪的小組可以改變恢復的脈衝的特性,這表明該技術可以用於操縱光學訊號,或許有助於實現用於超安全通訊的量子方案。她補充說,它還可以用於產生連續的雷射狀超冷原子流,這可以增強導航系統。

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