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唱反調的一對光

Credit:吳京的量子咖啡館

“我們都是上自旋的電子 想與妳共處在幸福的能階
但妳卻選擇了Pauli
所以現在 妳在幸福 我在寂寞”

這是一個未來的天文學家在他憂鬱年少歲月時所寫下的三行詩,不小心被館主挖出來重提一翻(所以說別亂交壞朋友,特別是記憶好的損友)。這首詩的靈感來自於近代物理學當中的「包利(Pauli)不相容」理論。老包說,兩個全同的費米子不能處於相同的量子態。費米子是基本粒子之一類,事實上,基本粒子也只有兩大類形,不是費米子,就是玻色子

電子是費米子的一種,當兩個電子位於同一個能階時,彷彿是拌嘴多年的老夫老妻一般,可以生活在一起,卻愛彼此唱反調,當其中一個電子處於上自旋(Spin up)的量子態時,另一個必定是下自旋(Spin down)的狀態,也就是開場小詩藉以感嘆之所在。

相對於費米子,多個玻色子可以同時處於同樣量子態。著名的玻色子如α粒子、希格斯粒子和光子

光子雖是玻色子,但德國和立陶宛的理論物理學家在2010年時卻推導出一套理論,說一對光線彼此之間也會「唱反調」,當其中一道光的強度變強時,另一道的強度就會變弱,他們把這種現象稱為「自旋子慢光」(spinor slow light)。這種現象和光子是玻色子並不衝突,因為光能量的相對應變化和粒子的自旋態(spin type)並非同等的物理量,所以館主私以為「自旋子」(spinor)一詞有點耍噱頭的意味。至於「慢光」(slow light)一詞,倒沒什麼花槍,乃速度被減慢的光,這點容館主稍後再說明。

這個理論近期獲得了實驗的驗證,完成實驗的,是來自台灣清華大學物理系余怡德教授所領導的研究團隊,實驗成果於2014年11月被發表在科學介具有指標性的「自然-通訊」(nature communications)期刊上。

這個實驗奠基於「電磁波引發透明」(electromagnetically induced transparency, EIT)的機制,該機制可以用二流武俠小說的劇情來描述:一道單頻雷射光,我們稱她為「訊號光」,高高興興地在光路上前進,突然出現了一團攔路的原子,把訊號光挾持而去,好吸收能量,讓原子內位於低能階的電子被激發到高能階去。說時遲那時快,從旁殺出了一道稱為「耦合光」的同頻雷射光,大喊一聲「放了那個女孩」!把位在高能階的電子嚇得屁滾尿流,跑回低能階去,於是訊號光被釋放出來,繼續她的旅程。

這一齣英雄救美的劇碼中,有幾個物理現象必需加以強調。首先,原子團會吸收訊號光,代表原子團對訊號光而言是不透明的,但耦合光進入後,訊號光可以穿過原子團,原子團就變透明了,此乃「電磁波引發透明」名稱之由來;再者,即使耦合光早就在一旁待命,訊號光還是會受原子團攔路影響而變慢,是謂慢光(slow light);最後,原子團中的電子其實不是單純地在高、低能階間跑而已,耦合光關閉時,訊號光攜帶訊息會儲存在兩個低能階內,當耦合光再度打入,訊息又可以被訊號光攜出,這在量子資訊的運算及處理方面,是很重要資訊存取技術。

而在「自旋子慢光」的實驗中,擔任攔路者的是一個狠角色,銣87(87Rb)原子團,它提供了兩個顯著差異的高能階和三個僅有些微能量差的低能階。因為有兩個高能階,高、低能階的能量差會對應到二個不同頻率的光;而有著些微差異的低能階,則讓訊號光的訊息可以儲存其中。研究團隊稱這種能階為雙層三腳架原子暨光聯結架構(double-tripod atom-light coupling scheme)、簡稱DT架構。

研究團隊將一道訊號光射入DT架構後,又打入了二個不同頻率的耦合光,讓這齣英雄救美的劇碼變得很詭異:一個美女要如何配二個英雄?沒關係,依量子光學的魔法公式推導,只要將每道光的相位差調整好,進入DT架構的那道訊號光,在被放出時會一分為二,分別對應二道耦合光的頻率,美人們與英雄們於是可以成雙成對地闖出原子團的束縛啦!不僅如此,二道被放出的訊號光會彼此間會有能量強度互補的現象,當一道強時另一道就弱,換句話說,實現了理論中的「自旋子慢光」現象。

Credit: NTHU Ultracold Atom Laboratory

除了驗證「自旋子慢光」理論外,這個實驗成功地將一道光所承載的訊息轉錄到另一個頻率的光上,雖然說兩道光之間在「唱反調」,但對資訊解讀而言,這好比是白底黑字換成黑底白字般,沒有太大的差別。

在不知多久的未來,當「量子電腦」問世後,要是學生們還在用ctrl+C及ctrl+V來做報告了話,也許都要感謝這個實驗的貢獻呢!

參考資料:
Experimental demonstration of spinor slow light.” Meng-Jung Lee,Julius Ruseckas, Chin-Yuan Lee, Viačeslav Kudriašov, Kao-Fang Chang, Hung-Wen Cho, Gediminas Juzeliānas & Ite A. Yu, Nature Communications 5:5542, Nov 2014, DOI:10.1038/ncomms6542

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」