每个用过因特网的人都会知道，在最近10年中通讯技术取得了惊人的进展。我们现在可以在几秒钟的时间之内给几千英里之外的同事发送电子邮件或从遥远的服务器上下载科研论文。这些巨大进展中的大部分都应归因于光通讯技术的进步。尽管最近的报道表明光通讯技术方面的财政投资在下降，但就这种光学技术本身而言正处于一个激动人心的阶段。
如果希望持续提高我们的通讯速度，那么我们就必须找到一个方法来避免上述转换过程，以便对信息进行光学处理。其中一种做法是利用非线性光学，用一束激光来改变另一束激光的光学性质。虽然在光通讯中非线性光学一贯被认为是一种有害的效应，可引起光脉冲展宽并破坏光信息，但现在这种看法正在发生变化。将来可利用非线性光学原理来制做光开关、延迟线、光二极管以及相位调制器等，上述所有元件都是全光信息处理所必需的。
然而，为切实打开光通讯技术的新局面，我们必须探索一条全新的发展之路，不应仅仅是对我们迄今所见的进展做微小的改进。预计非经典或量子力学系统将会在光通讯技术发展过程中起到重要作用，它们将会给光学介质带来新的希望并将在物理学、应用物理及工程学之间的交叉领域取得大量的进展。
让光减速直至停滞不前
光速减慢这一工作开始于1998年8月，当时美国马萨诸塞州剑桥市罗兰德研究所的一个由我领导的研究组，成功地把光脉冲的速度减小到每小时38英里——相当于环法自行车赛参赛者的车速。其过程是，先把钠原子冷却到绝对温度只有一亿分之五度，然后用一束被仔细调整好了的“耦合”激光照射这些钠原子。耦合光如此强烈地改变了原子云团的光学性质，以致当另一个激光脉冲被输入原子云团时，它的速度大约被减慢为原来的两千万分之一。光脉冲的空间尺度也将受到影响，其宽度在自由空间中为1000米，而在原子云团中却被压缩到只有0.05毫米。光脉冲因而被完全容纳在这团0.1毫米长的雪茄形超冷原子云团中。
超慢光的一个非常有趣的用处是，一旦光被减到如此慢的速度，它就会在介质中产生巨大的光学非线性。非线性光学可被用在很多方面，例如增加激光的频率等——这通常要求入射激光具有很强的光场。然而，我们用实验研究了冷原子云团的“非线性折射率”（衡量一束激光使另一束激光所感受到的介质的光学性质发生多大变化的尺度），它可比光纤的折射率大14个数量级。实际上，它是人们曾经测量到的最大折射率的100万倍。我们的工作开辟了极低光强非线性光学新领域，其实，即便是接近单光子水平的非线性光学也是可行的。
我们并不满足于减慢光速，最近，我们进行了更进一步的研究。现在已经能把相互独立的光脉冲停住、排布及恢复。换句话说，我们已经发现了一种利用原子介质且读写效率为100%的存储并恢复光信息（包括相位信息）的方法。我们在由超冷原子和一束耦合光组成的相互牵连的体系构成的一种新型光学介质中，得到了低光速并且把光停住。这种耦合体系的光学性质可通过简单地调整耦合光的光强和频率来改变。另外，这种耦合体系的特性依赖于易被破坏的量子力学效应。
举例来说，慢光可用来制做灵敏度非常高的光学开关——先利用一束耦合光使一团冷原子对光脉冲透明，然后再用第三束光来控制是否让光脉冲通过冷原子云团。当开启第三束光时，光脉冲将被阻止，不能通过原子云团；而当关闭第三束光时，光脉冲将再次穿过原子云团。上述系统在“开”和“关”两个状态之间发生转换所需要的能量可以像双光子的能量一样小；而开关的工作速度可以通过调节耦合光的光强或调整陷获在势阱中的冷原子云团的形状和密度来控制。
慢光的另一个同样令人感兴趣的可能应用是制造“光学延迟线”——一种能把很多同时到达的光信息延迟的器件。利用超冷原子和超慢光，我们可在长度只有0.1毫米的原子介质中得到从微秒至毫秒的延迟。虽然我们通过把光输入光纤中也能获得同样大小的延迟，但所用的光纤的长度却需要有几百公里长！我们提出的这种延迟线的另一个重要的优点是可通过简单地改变耦合光的光强来连续地调节延迟时间，直至满足需要为止。
制备超冷原子云团
我们是怎样制备这种能够使光减速直至停止的相当罕见的介质的呢？我们的做法是，把陷获在电磁铁磁场中的原子冷却到非常低的温度。当然，如果你喜欢的话，我们可把上述所用装置称为“原子冰箱”。原子来源于一个专门设计的“烛台”式原子束源——之所以这样给它命名，是因为它像蜡烛一样工作。我们先通过毛细作用把一池位于一个精致的镀金钢槽上的热的液态钠中的钠原子抽取到一个蒸发它们的加热装置中，然后再利用一个强有力的喷口把一小部分钠原子以每秒700米的速度喷射出来。这些原子的速度太快，不能被直接利用，所以我们立即用一束激光与它们迎头正碰，利用辐射压力在一个被称为“塞曼减速仪”的一米长的磁装置中把原子减速。这种装置很有效，以致一毫秒钟之后原子速度就被减慢至仅有每秒50米。
此时，把原子送入一团位于装置的主超高真空室中心区域的“光学糖浆”中，在那里有三对被调到刚好低于原子共振频率的反向传播的黄色激光聚焦在一起。那些与发生多普勒频移的光子相共振的原子，将因吸收光子而受到来自于光子的小的反冲动量的冲击力，并在这一过程中被减速和冷却。在几秒钟的时间之内，“光学糖浆”就收集到了100亿个被冷却到绝对温度只有十万分之五度的原子。这已经是非常之冷了，但我们希望原子样品更冷！
为进行下一个冷却步骤，我们关闭所有激光，同时，把强度为1000安培的电流通入形状类似于四个字母“D”的“四D形”电磁铁。因为钠原子具有磁偶极矩，所以我们可把它们陷获在磁铁中心处磁场强度最弱的区域内。
随后，开始蒸发冷却过程，该过程的工作原理与一杯咖啡冷却过程相当类似。最热的原子逃离原子云团，剩下的原子通过相互碰撞在一个较低的温度下达到平衡，然后下一批热原子又离开原子云团，剩下的原子再进一步冷却。然而，实际上我们并没有等待最热的原子自行离开，而是利用“磁共振光谱学”协助它们离开原子云团。通过外加射频场并用精心安排好的方式扫频，我们可以不断地把最热的原子从原子云团中驱出，直到最后留下一团被磁场陷获的非常冷的原子样品，这团原子是如此之冷，以致它们的德布罗意波长足以和原子之间的距离相比拟。
当原子云团被冷却到绝对温度大约一千万分之五度（即500 nK）时，便开始产生“玻色-爱因斯坦凝聚态”。这是一种非常奇特的物质态，其内部的几百万个原子的行为是完全相互关联的，就像是一个“超原子”。玻色-爱因斯坦凝聚态是一种具有类似于超导和超流特性的物质状态。玻色-爱因斯坦凝聚态于20世纪20年代被预言，最终于1995年被美国科罗拉多伯德JILA实验室的埃里克 · 康奈尔（Eric Cornell）、卡尔 · 维曼（Carl Wieman）及其合作者最先观测到（见图）。
冷原子云团容纳的是中性原子，和离子不同，它们与周围的环境只有非常弱的相互作用。因此，即使当一个原子云团的绝对温度被降低到500纳开（500 nK），系统的其余部分包括紧靠着冷原子的真空室也可以在室温状态下得以维持。这对我们的新光学介质的潜在的实际应用是重要的。
减慢光速的秘密
现在已经有了超冷原子，那么我们怎样用它们来减慢光速呢？传统材料——例如，与真空中相比，一块玻璃可把光速减慢30%或40%。但是，若想把光速减慢6～7个数量级的话，我们就不能再完全依赖于经典力学方法，而应求助于量子力学了。
钠原子被蒸发冷却完之后，将全部处于一个特定的量子态1上。这一点很重要，因为在蒸发冷却进行的过程中，陷获原子的磁场对原子有“过滤”作用，只有处于量子态1上的原子才能被陷获在磁场中。当我们在电磁铁磁极之间制备并陷获了原子云团（原子云团的形状为雪茄形，其长度一般为0.1～0.2毫米，直径为0.05毫米。）之后，我们用一束耦合光从侧面照射它，耦合光的频率被调整到与原子的两个被标记为2和3的高能态能量差相匹配的频率上。这将使三个能态1、2和3形成一个几乎是封闭的系统，当存在耦合光和探测光时，原子不会（或很少）向其他能态衰变。在上述实验中，需要对入射激光的传播方向、偏振和频率进行非常仔细的调整。
正如其名称所表明的含义一样，耦合光的作用是把2态和3态联合或“耦合”起来，这意味着必须把由原子和耦合光组成的混合体看作一个完整的系统。
耦合光可把对应于3态的单能级劈裂成两个相互靠近的能级。这种劈裂作用与耦合光的光强的平方根成正比，这表明我们找到了一种控制耦合激光-原子系统的能级的方法，进而可以控制它的光学性质。
在实验中，我们射出一个探测光脉冲，希望它能在原子云团中减速。当把探测光的频率调整到与1～3跃迁相共振或几乎共振的频率上，此时探测光所感受到的原子云团的折射率将随其频率发生奇特的变化，折射率曲线在1态与那两个被劈裂出的能级的能量差所对应的频率上发生两次“扭转”。此外，恰好在发生1～3态共振跃迁——即当探测光的频率被调整到介乎于那两个被劈裂开的能级之间时，原子云团的折射率恰好为1——正如自由空间中的折射率一样。重要的一点是，折射率分布曲线在共振点附近有一个非常陡的坡。换句话说就是，我们减慢光速的秘密不是形成具有巨大折射率的介质，而是在共振点附近使折射率曲线形成一个非常陡的坡。脉冲传播的速度，即所谓的群速，与折射率“坡度”成反比关系。我们通过使原子-光混合系统中两个劈裂能级间距减至最小，即通过施加一个非常弱的耦合光，可使折射率曲线的坡度达到最陡，进而得到最慢的光速。
需着重指出的一点是，我们的探测光脉冲不具有一个确切的频率，它实际上是具有一定频率分布的平面波的叠加。每一个平面波的速度，即所谓的相速，取决于该频率下的折射率。在我们的系统中，原子云团的折射率大约为1，光的相速与真空中的光速即每小时300000公里非常接近。在共振点附近，原子云团的折射率变化非常剧烈，因而不同的平面波都具有稍微不同的相速。这些平面波叠加起来形成光脉冲，不同平面波分量之间的最大相长干涉点决定着脉冲的波峰。光的群速，即脉冲波峰的速度被减慢到几乎停止。
当我们确实采用冷原子样品时，原子几乎根本不动，它们的能级也不因多普勒效应而展宽。这表明原子-激光耦合系统的能级实际上可以相互靠得非常近而又不相交叠。使原子介质对光脉冲中的所有频率分量的光的折射率都保持在1附近也是很重要的。如果我们试图通过制备具有巨大折射率的材料来减慢光速，比方说比自由空间折射率大几千万倍的材料，则我们的探测光将几乎被材料全部反射掉，而不能进入材料中。原子样品的折射率接近于1还意味着，介质内的光脉冲的波长和峰值电场强度与介质外的相同。
耦合效应
上述这些实验的另一个重要之处是，如果我们不离加耦合光，则浓密的原子云团对共振探测光脉冲是完全不透明的。只有存在耦合光时，原子介质才透明。这种效应被称为“电磁感应透明”，是由美国加利福尼亚斯坦福大学的史蒂夫 · 哈里斯（Steve Harris）及其合作者于20世纪90年代初最先观察到的。
耦合光是怎样实现上述透明特技的呢？答案是耦合光与探测光在系统中产生了量子相干效应。起初全部处于1态的原子不能吸收耦合光，因为它已被调到与2态和3态能量差相共振的频率上。但是，当探测光脉冲到达时，两束光把原子转移到了1态和2态的量子叠加态上。如果原子停留在1态上，则它们将吸收被调到与1态和3态能量差相共振的频率上的探测光；而如果原子都处于2态上，则它们将吸收耦合光。（在两种情况下，原子都将跃迁到3态上，然后向任意方向自发地辐射出光子，原子云团因而放射出黄色的光）
但由于系统处于量子叠加态，因此两个吸收过程相互抵消。这一叠加态被称为“暗态”。探测光和耦合光都不会被吸收，即系统是透明的。量子相干效应还可造成下述情况：我们可以在存在来自3态的自发辐射阻尼的情况下保持住折射率曲线上的“陡坡”。
系统处于暗态所需要的1态和2态的比例随着探测光与耦合光电场的相对强度而改变。实际上，系统甚至在我们开启耦合光之前就已处于暗态了，因为所有原子开始时都处于1态上，不能吸收耦合光。然后，我们通过足够慢地施加探测光脉冲来持续地调整叠加态以保持原子处于暗态，探测光的强度越大，处于2态的原子就越多。
压缩效果
上述实验给人们留下的深刻印象不仅是光速的急剧减慢效应，光脉冲空间尺度的强烈压缩效应同样值得关注。当光脉冲进入原子云团时会发生什么情况呢？在耦合光的作用下，入射探测光脉冲的前沿将被介质减速，而位于自由空间中的脉冲后沿仍以300000公里每秒的速度向前追赶，脉冲因此会像手风琴一样开始压缩。在原子云团中心，原子的密度最大，光脉冲的速度和空间宽度最小。光脉冲的空间压缩因子与其速度减慢因子相同。
既然光脉冲在穿过原子云团时其电场峰值保持不变，那么光脉冲显然要损失能量。被损失的能量中的一部分被暂时存储到原子中，而其余大部分则通过受激辐射被转移到耦合光光场中。当光脉冲离开原子介质时，被损失的能量又重新转移回光脉冲。另外，在离开原子介质后光脉冲虽然被大大地延迟了，但它却又恢复到它进入介质之前的形状。
我们通过利用光子探测器对耦合光进行监控，完成了对能量转移的直接测量。当探测光脉冲在原子中慢慢地穿行时，那些位于被压缩了的定域光脉冲区域内的原子在任何特定时刻都将处于一个暗态上。这些暗态的空间分布与探测光脉冲的空间分布相仿。
（未完待续）
[Physics World，2001年9月号]