還記得「量子足球」嗎？量子足球中的更多目標

讓我們假設你被允許蒙上德國足球明星蒂莫·維爾納的眼睛，讓他在自己的軸線上轉幾圈，然後你讓他瞎開槍，他擊中目標的可能性極小。儘管如此，波恩的物理學家們還是在類似的情況下取得了90%的分數。然而球員比德國球星斯特里克要小100億倍，而且更難以預測。研究人員用激光照射的是一個銣原子。原子吸收了輻射能量，進入了激發態。它的壽命是固定的。原子隨後釋放吸收的能量，通過發射光粒子：光子。這個光子飛行的方向純屬巧合，然而當銣被放置在兩個平行的鏡像之間時，就會發生變化，因為原子更喜歡朝其中一個鏡像射擊。

這四顆透鏡圍繞著諧振器，用於聚焦維持諧振器中原子的激光束並觀察原子。圖片：Miguel Martinez-Dorantes / University of Bonn

博科園-科學科普：在提莫·維爾納的例子中，這就像是進球神奇地吸引了球。這種現象被稱為珀塞爾效應。它的存在是在幾十年前被發現的。波恩大學應用物理研究所的Wolfgang Alt博士解釋說：我們現在已經用珀塞爾效應來研究中性原子對光子的定向發射。人們對珀塞爾效應很感興趣，部分原因是它使所謂的量子中繼器的構建成為可能。它們是長距離傳輸量子信息所必需的。雖然可以將光子置於某種量子狀態並通過光導將其發送出去，但這隻能在有限的距離內完成;對於更遠的距離，信號必須被緩衝。

中繼器傳遞量子信息

在量子中繼器中，光子被引導到一個原子，這個原子吞掉它，從而轉變為另一種狀態。當用激光束讀取脈衝時，原子會再次吐出光粒子。存儲的量子信息被保留。發射出的光子現在必須被收集並反饋到一個光嚮導中。但當光子以隨機方向釋放時，這就很困難了。我們已經成功地利用珀塞爾效應迫使光子進入兩個鏡子之間的路徑。

圖為兩根玻璃纖維(上中心)。它們的末端被反射性地覆蓋，形成一個所謂的諧振器。在它們之間插入銣原子，在激發之後，它主要向鏡子(以及玻璃纖維)的方向輻射光子。鏡子的直徑只有0.1毫米。圖片：Jose Gallego / University of Bonn

我們現在已經製作了一個部分透光的鏡子，並將玻璃纖維連接到它上面。這使得我們可以相對有效地將光子引入到纖維中珀塞爾效應還有另一個優點:它縮短了銣原子存儲和釋放量子信息的時間。這種速度上的提高是非常重要的。只有中繼器工作得足夠快，它才能與信息的發報機，即所謂的量子點通信。如今量子點被認為是單光子傳輸量子信息的最佳來源，完全不會被截獲。實驗將這項重要的未來技術又向前推進了一步。

博科園-科學科普｜研究/來自：波恩大學

參考期刊文獻：《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.173603

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