物理学家们已经发现了一种利用激光和超冷原子停止和启动光脉冲的方法，这一不可思议的“特技”有朝一日也许会被用来在量子计算机中存储数据——

设想你正站在铁道旁边等待下一趟特快列车的到来，在你面前的铁轨上横挡着一张被绷紧的、薄如丝绸的、相当奇特且闪着光的纤维织物，这张纤维织物眼看就要被列车撕裂。但使你感到惊奇的是，当列车的前部碰到那张轻而薄的纤维织物时，并没有立即穿越过去，而似乎是被“吸”到了里面。在几秒钟之内整列列车就消失在纤维织物里面了，列车的轰鸣声被一片可怕的寂静所代替。随后，列车像突然从纤维织物的另一侧出现，逐渐恢复它最初的长度和速度，并轰隆隆地远去，直至离开你的视线。

上述这个关于列车停顿的幻想有助于我们理解莱娜 · 豪（Lene Hau）和她的同事们最近完成的研究工作。1999年，豪研究组把一个时间宽度为3微秒、空间宽度为1公里的激光脉冲射入一团特制的超冷钠原子气团样品中，钠原子气团样品的长度为0.2毫米，它具有独特的性能，可把其内部的光的速度减慢为自由空间中光速的一千万分之一。当激光脉冲的前沿进入超冷钠原子气团时，它的速度立即被减慢到每秒30米，这是以前人们从未听说过的。以这种缓慢的步伐，光脉冲需要如此长的时间才能穿过原子气团，以致在它的前沿从样品的另一侧出现之前，光脉冲的尾部就已经消失在样品中了。因此样品中光脉冲的宽度将被压窄，窄到不超过原宽度的一千万分之一。被压窄了的光脉冲在样品中徐徐穿过，直到最后出现在样品的另一侧，恢复至原来的宽度并加速到它通常的速度每秒3×10⁸米。

减慢光速的关键是第二束激光即所谓的“耦合脉冲”的存在。耦合光脉冲与传播光脉冲（或称探测光脉冲）二者是可区分的，因为它们的偏振态是不同的。耦合光与样品中的原子的内部能级精确地匹配，抑制了原子对探测光的吸收。实际情况是，原子的一条吸收能级被劈裂成两条能级，两条能级对探测光的吸收作用相互抵消了。这一现象被称为电磁感应透明。光速被减慢的同时，原子气团的“折射率”，简言之即它偏转光线的程度，也将随探测光的频率急剧变化。这反过来又会导致光的群速——即光强包络在样品中的传播速度，变得非常之慢。

图为日本高能电子加速器装置

豪研究组的原始实验中的许多兴奋点都集中在所测得的光的速度上。在过去的两年中，其他几个研究小组利用更普通的处于室温状态下的气体得到了类似的实验结果，在某些情况下，他们甚至把光速减慢到了低于每秒30米。外行的旁观者也许会因此而感到奇怪，为什么要不嫌麻烦地采用冷原子来减慢光速呢？如果仔细研读这些“热原子”实验论文就会发现，这些实验不具有令上述站在铁道旁边的那个不幸的物理学业余爱好者感到如此迷惑的奇特性能。在室温下的实验中，气体对光脉冲的最长延迟时间远小于脉冲自身的时间宽度，因而不可能把一部分光脉冲隐藏在原子样品中。从技术观点来说，如果我们把行进中的光脉冲看作是光学信息的一个“存储单元”，那么热原子实验只能把每个存储单元移开仅仅相当于其宽度的很小一部分的距离，这无论如何都不足以把其中的一个存储单元变为“0”状态。

豪研究组的最新结果把令人惊奇的感觉又带回了光速减慢实验。在最近的工作中，该研究组在观测过程中间改变了实验规则。这回的实验过程相当于一个魔术师站在铁道旁边，当整列特快列车全部消失在纤维织物中时，魔术师弹动她的手指，发出咔嗒声。此时没有任何情况发生，列车没有重新出现。直到最后，在经过足够列车在轨道上行驶200公里的时间之后，她又弹动了一下手指，并且说：“变！”，列车就像什么也没发生一样地开了出来。魔术师可以陆续弹动手指三次，此时会有三列互相分开的列车车厢出现。

豪和她的同事实际做的工作是把钠原子冷却到绝对温度不高于百万分之一度。他们在把耦合光的强度调整到可得到每秒28米的群速的情况下，把一个空间长度为2公里的探测光脉冲射入到原子样品中。然后，在脉冲恰好消失在样品中而又没有重新出现之前，关掉耦合光。结果，探测光的速度被降为零，光脉冲完全停在原子样品中，它在样品中停留的时间可达一毫秒。豪及其同事可以在这一毫秒时间间隔内的任一时刻把耦合光重新加到样品上，使探测光脉冲立即从样品中射出来并沿其路径继续向前传播。

如何才能使一个光子停下来呢？难道这种光的基本粒子可以不按光速运动吗？基本事实是，当光脉冲进入冷原子气团中密度大的区域时，将变成一个印记在钠原子上的“量子相干模”。也就是说，光脉冲中的信息将被存储到原子内态的量子相位关系中。在最终的极限情况下，当光脉冲完全停住时，所有光子都已经被“铭刻”在相干模上。稍后，当耦合光被重新照射到原子样品上时，存储在相干模上的信息将被读出，并转化成运动的光子，当这些光子运动到原子样品的边界时将加速到正常的光速。

当探测光脉冲被囚禁在原子样品中的时候，它将受控制它的物理因素的支配。豪研究组通过快速增大或减小群速，可使光脉冲的一小部分逃离原子样品，而把其余部分继续囚禁在样品中。他们利用这种方法可以把入射脉冲劈裂成三个透射脉冲，且可使这三个透射脉冲之间具有任意的时间延迟。他们把上述现象称之为存储脉冲的“多次读出”过程。此外，如果以某一特定的群速把探测光脉冲“写入”到原子气团材料中，然后再以较高的群速去“读出”，则透射脉冲将具有比入射脉冲更窄的时间宽度和更高的光强。这就好比是上文提到的特快列车现在比原来变得短而宽了。

豪和她的同事们认为他们最近用实验验证的控制光信息流通的方法，可应用于量子计算机。量子计算机是否会成为现实，目前还不清楚。虽然现在类似于列车停顿的光速减慢效应不如量子计算机那样更令人们感兴趣，但这几乎是没什么要紧的，并不能抹煞光速减慢效应的重要意义。

[Nature，2001年1月25日]