“超光速”脈沖光的制成方法

短脈沖光到達(dá)時(shí)，通常是呈現(xiàn)為某種對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，統(tǒng)計(jì)學(xué)上就像一個(gè)鐘形曲線(xiàn)。這個(gè)曲線(xiàn)的最前緣不能超過(guò)光速，但主體隆起部分，也就是脈沖的峰值，可以向前或向后傾斜，到達(dá)時(shí)會(huì)比通常的速度或快或慢。

利用四波混頻，研究人員發(fā)送200納秒長(zhǎng)的“種子”脈沖激光，進(jìn)入加熱的光電元件，其中包含原子銣氣相，以及單獨(dú)的“泵”光束，具有不同的頻率，都是來(lái)自種子脈沖。這種氣相可放大種子脈沖，轉(zhuǎn)移峰值，使向前傾，這樣，它就可超過(guò)光速。同時(shí)，有光子來(lái)自射入的光束，會(huì)與氣相相互作用，產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，這個(gè)脈沖稱(chēng)為“共軛”，這是因?yàn)樗c種子脈沖的數(shù)學(xué)關(guān)系。它的峰值的傳播也可以加快或放慢，這取決于激光如何調(diào)諧，以及增益介質(zhì)的內(nèi)部狀況。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST：National Institute of Standards and Technology)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新穎的方法，可制成“超光速”脈沖光，在某種意義上，它們的傳播速度比光更快。這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為四波混頻(four-wave mixing)，可重塑部分光脈沖，使它們提前到達(dá)某個(gè)地方，這個(gè)地方是它們本來(lái)會(huì)到達(dá)的，就是在它們未經(jīng)改變穿過(guò)真空時(shí)也會(huì)到達(dá)。這種新方法可用于改善通信信號(hào)的定時(shí)，也可用于探討量子關(guān)聯(lián)傳播。他們的成果4月26日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，題為《激發(fā)生成超光速光脈沖采用四波混頻》(Stimulated Generation of Superluminal Light Pulses via Four-Wave Mixing)。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，光在真空中傳播具有普遍的速度限制。沒(méi)有任何信息可以比光傳播得更快。

但還有一個(gè)漏洞。短脈沖光到達(dá)時(shí)，通常是呈現(xiàn)為某種對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，統(tǒng)計(jì)學(xué)上就像一個(gè)鐘形曲線(xiàn)。這個(gè)曲線(xiàn)的最前緣不能超過(guò)光速，但主體隆起部分，也就是脈沖的峰值，可以向前或向后傾斜，到達(dá)時(shí)會(huì)比通常的速度或快或慢。

最近的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了“無(wú)信息”( uninformed)的超光速脈沖，是因?yàn)榉糯竺}沖的前緣，減弱或切斷它的后端。這種方法產(chǎn)生了很大的噪音，明顯沒(méi)有大幅增加速度。四波混頻產(chǎn)生了更干凈，噪音更少的脈沖，可以更大地提高速度，這是因?yàn)?ldquo;重新定相”( re-phasing)或重新排列構(gòu)成脈沖的光波。

利用四波混頻，研究人員發(fā)送200納秒長(zhǎng)的“種子” 脈沖激光，進(jìn)入加熱的光電元件，其中包含原子銣(rubidium)氣相，以及單獨(dú)的“泵”光束，具有不同的頻率，都是來(lái)自種子脈沖。這種氣相可放大種子脈沖，轉(zhuǎn)移峰值，使向前傾，這樣，它就可超過(guò)光速。同時(shí)，有光子來(lái)自射入的光束，會(huì)與氣相相互作用，產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，這個(gè)脈沖稱(chēng)為“共軛”( conjugate)，這是因?yàn)樗c種子脈沖的數(shù)學(xué)關(guān)系。它的峰值的傳播也可以加快或放慢，這取決于激光如何調(diào)諧，以及激光的內(nèi)部狀況。

在實(shí)驗(yàn)中，脈沖峰到達(dá)時(shí)快了50納秒，這是對(duì)比光在真空中傳播而言。

有一個(gè)直接的應(yīng)用，這個(gè)小組研究這種系統(tǒng)，就是想用于量子不和諧。量子不和諧是從數(shù)學(xué)上定義可共享量子信息的兩個(gè)相關(guān)系統(tǒng)，在這種情況下，就是種子脈沖和共軛脈沖。通過(guò)測(cè)量快速光束和參考光束之間的量子不和諧，研究小組希望確定，這種超速光如何用于傳輸和處理量子信息。

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