Only Perception: 物理學家將影像儲存在蒸汽中

2008-06-29

物理學家將影像儲存在蒸汽中

Physicists Store Images in Vapor
http://www.physorg.com/news133439288.html

June 23, 2008
By Lisa Zyga

書籍為了一種顯著的理由以固體的紙張寫成：在固體中的原子不會以很大的程度到處移動，讓文字與圖片留在定位達數世紀。在另一方面，企圖將文字與影像儲存在氣體媒介中，看來頗難達成。在氣體中的原子不斷地四處移動，那會使影像跟著它們到處跑。

但來自於以色列海法的 Technion-Israel Institute of Technology，以及 Rehovot 的 Weizmann Institute of Science，最近示範如何將影像儲存在溫暖的原子蒸汽中。經由他們的方法，那基於電磁上所引發的透明，研究者能在銣蒸汽中儲存複雜的影像達 30 微秒。為了要改善所恢復（retrieve）的影像解析度，這些物理學家亦開發出一種方法，將氣體原子的擴散效應對影像能見度的影響最小化。

"光儲存的基本概念已經知道好幾年了，可能的應用也一樣，" Technion-Israel Institute of Technology 的 Moshe Shuker 表示。"觸發我們研究的是 Rochester 的 Howell 小組所寫的一篇論文，在其中他們證明他們能減緩影像並延緩它們達數奈秒。我們則納悶是否有可能儲存影像-- 以及能維持多久？因為我們所利用的減緩延遲與處存持續時間是在微秒的範圍之內，所以我們馬上注意到原子的擴散效應。"

在他們的技術中，研究者首度儲存一個影像（例如，數字 2）在光脈衝裡。當光脈衝擊中原子的氣體，它強烈地被吸收，並刺激原子。但是當第二道光束指向氣體時，它會迫使原子到一種獨特的量子態，並導致第一道脈衝通過蒸汽。這種現象稱為電磁誘發透明（electromagnetically induced transparency）。

如同先前實驗所證明的，當第一道脈衝仍在蒸汽中的同時關閉第二道光束，第一道脈衝能完全停止（而且能夠暫時儲存在蒸汽中）。接著，藉由再一次開啟第二道光束，第一道光束就能夠被恢復。

在此，物理學家使用這種方法來捕捉、儲存與恢復複雜的 3D 光場。研究者將光脈衝上的影像降到每秒 8000 公尺的群速，這樣的速度讓影像能被儲存在原子蒸汽中達數微秒。

他們將二光束導向 5 公分長的、包含攝氏 52 度銣氣體與氖氣的蒸汽室（vapor cell）中以為緩衝。一旦第一道光脈衝（包含影像）的一半已離開蒸汽室時，研究者關閉第二道光束，所以剩下另一半的影像儲存在蒸汽中。如同研究者所解釋的，在儲存期間，影像被編碼到原子「整體」的量子態中。在 30 微秒後，研究者將第二道光束再度開啟，影像就在它離開蒸汽室時復原。

"在儲存時期期間，在實驗系統中並沒有光場，" Shuker 解釋。"所有由光所攜帶的資訊（在我們的例子中是 3D 的強度與相位圖案）被轉換成蒸汽中原子的量子態（明確地說，是基態次能階 (sub-levels) 之間的同調性）。如果原子量子態的同調程度很容易察覺的話，我們應當注意到一個有效的「影像」存在 -- 但這不容易辦到（也許最簡單的方法是將它轉換回光 -- 一如我們在此實驗的恢復階段所做的事。）"

因為氣體原子的擴散，所恢復影像看來有點模糊而且訊噪比（SNR）也降低。為了改善影像的解析度，研究者開發一種技術將原子移動所導致的影像分解降到最低。此技術有點類似用來減少光擴散的相位轉移微影術（phase-shift lithography），在這裡鄰近影像特徵的相位被翻轉，所以它們之間的光將（產生）破壞性的干涉。研究者將影像特徵的相位轉移了 180 度，所以擴散到影像中、線段之間區域的相反相位原子，已經擴大了被抵消的那個。而且沒有會使影像線段模糊的光線發出。

將影像儲存在蒸汽中 -- 或著，如同研究者所描述，"將光資訊轉換至原子的同調" -- 對於各種影像處理以及相關應用與量子資訊處理，甚至是量子通訊會很有用。科學家亦預測應當有可能儲存更精巧的影像，包括世俗影像或電影。

"光儲存技術（廣泛地說，不僅是影像）也許在未來的量子資訊裝置中有重要的應用，" Shuker 說。"最「直接的」應用是量子資訊最基本的資訊單元-- 量子位元（qubit）的「記憶裝置」。"（後略譯）

※ 相關報導：

＊ Storing Images in Warm Atomic Vapor
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e223601