BEC 量子氣體與模擬重力實驗

本實驗室以超冷銣原子玻色–愛因斯坦凝聚體（Bose–Einstein condensate, BEC）作為主要研究平台。BEC 是由大量原子共同佔據同一量子態所形成的巨觀物質波，因此它不只是低溫原子物理中的重要系統，也是一個可以直接觀察、操控與量測的量子流體。我們利用光偶極阱與磁阱製備高相干的凝聚體，並透過快速改變陷阱位能、控制自由膨脹、調變橫向束縛與分析密度關聯，研究量子多體系統在非平衡條件下的動力學。

目前本實驗室的核心方向之一，是利用自由膨脹 BEC 建立「模擬重力」聲學時空。當凝聚體中的流速超過局部聲速時，聲子便會感受到類似黑洞視界的因果邊界。我們已發展出超音速–次音速–超音速的雙視界結構，使兩個聲學視界由中間的次音速區域連接，形成可在實驗室中研究的多視界量子場平台。透過二階與三階密度關聯函數，我們觀察到跨越視界的非局域關聯，以及由雙視界幾何所選出的特殊空間週期結構。這些結果顯示，時空結構不只是影響粒子傳播，也可能重新組織量子真空漲落與多體關聯。

另一方面，我們也將 BEC 作為物質波量子光學的平台，研究巨觀物質波穿隧、脈衝原子雷射與運動壓縮態。藉由非絕熱改變陷阱，我們可以激發凝聚體的集體運動，使物質波以週期脈衝形式穿隧離開位能阱，提供研究量子穿隧過程的可視化方法。我們也利用原子間交互作用將內能轉換為運動能，產生非高斯的運動壓縮態，並發展以單次吸收影像重建量子態的方法。

這些研究結合冷原子實驗、量子場論、量子光學與多體物理，目標是在高度可控的實驗系統中，探索量子關聯如何在巨觀尺度上形成、傳播與被幾何結構篩選。此平台不僅有助於理解類黑洞、動態 Casimir 效應與低維量子流體，也為未來的量子模擬、量子計量與物質波工程提供新的實驗方向。

異核原子間的雷德堡交互作用

本研究計畫聚焦於銣（Rb）與鉀（K）異種原子系統中的雷射冷卻、光鑷捕捉、精密光譜與里德堡態量子控制。我們利用雙物種磁光阱、光偶極阱與單原子光鑷技術，建立可同時操控 Rb 與 K 原子的冷原子平台，並進一步發展單原子解析、快速激發、光致損失偵測與量子態量測方法。此平台的核心目標，是研究不同原子種類之間的里德堡交互作用，特別是 K 里德堡原子對 Rb 原子的影響，以及此交互作用如何隨主量子數、軌域態與原子間距離改變。

在銣原子方向，我們特別關注 420 nm 藍光躍遷與近紅外光偶極阱之間的交互作用。由於光鑷或光偶極阱通常必須在量子操作期間維持開啟，強光場造成的 AC Stark 位移、譜線變形、Autler–Townes 結構、光致游離與原子損失，都是未來實現高保真量子控制時必須理解的關鍵問題。這一方向不只是單原子光譜研究，也可作為里德堡量子閘、中途量測與非破壞性讀出的基礎。

在鉀原子方向，我們發展以 405 nm 與約 980 nm 雷射驅動的階梯式里德堡激發，並將其結合 Rb–K 共存冷原子系統。藉由同時監測 Rb 與 K 磁光阱螢光，我們可以觀察 K 里德堡激發對 Rb 原子數與損失率的影響，進而萃取異種原子間、且隨主量子數變化的交互作用特徵。相較於單一元素里德堡陣列，異種原子系統具有天然的頻率可區分性，可望降低串擾，並提供一種「一種原子作為資料量子位元，另一種原子作為輔助量測或控制量子位元」的架構。

K–Rb 異種雷德堡系統發展量子資訊與單光子光學電晶體，並指出 K–Rb 雷德堡 pair states 可提供長距離強交互作用；相關理論也預測 K–Rb 系統存在強 Forster resonance，適合用於長距離能量轉移與糾纏產生。雙物種雷德堡平台已成為國際量子科技的重要方向。Rb–Cs 雙物種雷德堡陣列展示異種雷德堡阻絕、跨物種量子態轉移、Bell state 與以一種原子作為輔助量測的 QND 量測，凸顯雙物種架構在低串擾控制與中途讀出上的優勢。Rb–K 光鑷系統正成為國際上積極推進的實驗方向。

本計畫的前瞻性在於，我們不僅追隨單一元素雷德堡量子陣列的成熟路線，而是進一步走向異種原子間的可控交互作用。K–Rb 系統具有天然的頻率可區分性，可降低量子操作時的串擾，並可能實現「一種原子作為資料量子位元、另一種原子作為輔助量測或控制量子位元」的新架構。若能建立可量化的 K–Rb 異種雷德堡交互作用模型，並推進到單原子解析與光鑷陣列控制，將可為量子資訊、量子模擬、受控量子量測與異種量子介面開啟新的實驗平台。