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量子資訊與光子操控
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量子資訊（quantum information）其實就是波函數，電子、原子、分子或更大的粒子可以攜帶波函數，但這些粒子在傳送的過程中很容易受到環境的電、磁場影響，使得波函數改變，所攜帶的資訊也就失真。另一方面，光脈衝也可用來攜帶波函數，當一個光脈衝所含的光子數目很多時，光的行為是古典的電磁波，但光子數目很少或甚至是單光子時，則顯現出量子特性，量子光學（quantum optics）就是探討光的量子行為之研究領域。光的速度快、頻寬大的特性使其成為極佳的訊息傳遞者，利用光子來傳送波函數更沒有環境干擾造成資訊失真的問題，所以光子在未來量子資訊及量子通訊所扮演的角色比起現今光通訊更加地重要，我們可預期光子是量子計算系統中的波函數傳送媒介，也可以是量子網路內通訊元件的收發訊號。近期利用電磁波引發透明（electromagnetically induced transparency，簡稱EIT）效應所發展的慢光（slow light）開啟了弱光非線性光學的研究 [1,2]，所衍生的光儲存（light storage）技術也可作為了光子與原子交換波函數或量子態的方法 [3]，這些研究對量子資訊的操控有重大的影響與應用。 單光子造成另一單光子的180°相位調變（cross-phase modulation，簡稱XPM）是我們現今的研究目標，也是相當困難及極富挑戰性的的實驗，目前尚未有任何研究團隊達成此成果。單光子或弱光的XPM是量子資訊科學領域中受到高度重視的研究課題，亦是教科書的經典範例，可用於量子非破壞測量（quantum nondemolition measurement）、建立量子邏輯閘（quantum logic gates）及產生糾纏態光子對（entangled photon pair），在操控量子資訊上有廣泛的應用。 由於光子彼此間並沒有直接的交互作用，一顆光子改變另一顆光子的相位必須以原子為橋樑。我們於2006年提出創新的光儲存XPM機制，並實驗證明其可行性。實驗數據顯示僅需l2（波長平方）的面積內有12顆光子即可造成44°的相位改變，如圖一所示 [4]，此數據已經遠遠地超越了其他方式的XPM實驗成果。同時我們的實驗數據與理論預測也有很好的吻合，若能增加光與原子的交互作用時間，可推論此光儲存XPM機制將可達成單光子的180°相位變化。我們亦於2009年實現了冷原子介質中的靜止光脈衝（stationary light pulse，簡稱SLP，即光脈衝可停止不移動），這是利用EIT及四波混合（four-wave mixing）的效應造成光脈衝靜止不動。實驗成果可類比於將光脈衝捕捉於Q值為109之光學共振腔內 [5]，靜止光脈衝的實現大幅提昇光與物質的交互作用時間，亦為單光子的XPM實驗跨出了重要的一大步。 一般的冷原子團由於密度低，λ3的體積內的粒子數遠小於1，一顆光子與一顆原子的交互作用機率是微乎其微，並不適合單光子實驗。我們將銣原子的溫度降至250 nK以下，實現了玻色–愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation，簡稱BEC）[6]。凝聚體是BEC的產物，在λ3的體積內原子數目可高達50以上，凝聚體亦稱作同調物質波（coherent matter wave），其高密度及長同調時間的特性是單光子實驗之絕佳系統。結合光儲存技術與靜止光脈衝，我們計劃於BEC凝聚體進行單光子XPM實驗，期望不久的將來實現單光子的180°相位調變，開創弱光非線性光學及量子資訊操縱的新里程。
本文由清華大學物理系余怡德教授( E-mail:
 )提供。
圖一：
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參考文獻
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