不移動的二個光脈衝交互作用之實現
余怡德教授（最右）與超低溫原子實驗室成員合影於大雪山森林遊樂區。
圖一: （a）和（b）實驗系統的原子能階，Wc和Wp形成一組儲存光的 EIT 系統，波長為795 nm，W±s和W±cs形成另一組靜止光脈衝的EIT系統，波長為780 nm。（c）利用兩道完全停止光脈衝之全光學開關時序。（d）實驗架設圖和原子雲的影像照片。
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不移動的二個光脈衝交互作用之實現
光是良好的資訊載子（information carrier），本身具有傳輸速度快及不易受到環境干擾等優異特質，用於通訊已行之有年。若要運用在量子通訊或量子計算上，非得將光子數降低以突顯其量子特性不可，然而弱光卻又降低了光與物質交互作用的效果，陷入又要馬兒好又要馬兒不吃草的兩難局面。近年來，電磁波引發透明（electromagnetically induced transparency，簡稱EIT）效應的研究蓬勃發展，此效應造成光速減慢現象，使得光脈衝在空間上大幅度壓縮，增加數個數量級的能量密度，以物質為橋樑，二道弱光之間的非線性光學過程亦有顯著的效果，為上述的難題提供了解決方案。
更進一步，EIT的效應可讓我們用光儲存（light storage）的方式將光脈衝停止於介質裡，此時攜帶訊息的光子波函數完全轉為物質波波函數，光脈衝“看似” 不移動，隨後，可再將光脈衝從介質中取出，恢復原本的光子波函數。EIT的光儲存方式使得介質可作為量子記憶體（quantum memory），儲存於記憶體的過程中，任何對物質波波函數的作用也對最後取出的光子波函數有同樣的效果。
然而光的電磁場是對物質產生作用的必要條件，光儲存過程中，電磁波是不存在的，是否能令光脈衝於介質中不移動但仍然維持其電磁場？清華物理系的超低溫原子實驗室首次在冷原子系統下成功地實現了靜止光脈衝（stationary light pulse），並結合光儲存，以靜止光脈衝的電磁波作用於光儲存中的物質波，發展出可應用於量子資訊操控的全光學開關（all-optical switching）[1]，圖一簡介實驗系統、量測時序及儀器設備的架設。
光學效應是光子躍遷機率和交互作用時間的乘積，如果將兩個光脈衝分別以光儲存和靜止光脈衝方式完全停止於介質中，則交互作用時間可大幅增長，靜止光脈衝相當於將光捕捉在光學共振腔（optical cavity）內，以實驗得到的3.45 ms衰減時間常數為例，此共振腔的品質係數（Q factor）高達8´109。
超低溫原子實驗室利用兩道光脈衝完全停止的優勢，作為以光子控制另一光子的全光學開關機制，實驗成果顯示全光學開關的非線性光學效應較以往所預測的極限增加了4倍的效率。如果能再提高介質的光學密度（optical density），效率可以進一步提升，則單光子對單光子的作用或一個量子位元對另一個量子位元的操控指日可待。Nature Physics期刊在2012年4月的Research Highlights文章中賦予此實驗一個有趣的名稱：凍結的光開關（Frozen light switch），給予此實驗成果高度的肯定。
全光學開關是量子資訊操控的起步，相同的概念也適用於光子之間的交錯相位調變（cross-phase modulation），利用單光子對另一單光子做相位180度的調變，可製作量子電腦的邏輯閘，也可以產生量子糾纏對，亦能應用於量子非破壞量測。此實驗開創低光物理的新紀元，提供了量子操控的可行性，期望不久的將來在量子資訊領域有廣泛的應用。
參考文獻
[1] Yi-Hsin Chen, Meng-Jung Lee, Weilun Hung, Ying-Cheng Chen, Yong-Fan Chen, and Ite A. Yu, “Demonstration of the interaction between two stopped light pulses,” Phys. Rev. Lett. 108, 173603 (2012).
報導文章參考連結
1. “Frozen light switch,” Research Highlights of Nature Physics 8, 252 (2012).
2. “Two stopped light pulses interact with each other,” Featured Story of Phys.org at http://phys.org/news/2012-05-pulses-interact.html.
如需更多資訊，請洽:
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清華大學物理系余怡德 (Ite A. Yu ) |
