以「熱原子雙光子系統」在量子光學舞台上展現國際競爭力

鴻海研究院第二屆「NExT Forum」量子計算論壇，將主題聚焦於量子通信技術與應用，並邀請國立清華大學物理系教授余怡德分享關於光子作為量子硬體實際應用的新可能。

余怡德教授任教於清華大學，專精於凝聚態原子物理，電磁波致透明，靜止光脈衝以及非線性光學系統。他開發出的光學系統也被認為對長距離量子資訊傳輸，以及橋接不同量子硬體介面等應用有極大的幫助。

光量子位元

以光子儲存量子資訊一直以來被認為是相當具有潛力的技術，也有著傳輸速度極快等優點。然而，如果完全使用光子作為資訊處理的媒介，則會受限於光子間交互作用微弱，以及光子的產生本身為隨機過程等問題。余教授團隊開發了一個由熱原子氣體（Hot Atomic Vapor）產生的傳令光子（heralding photon）技術，其高產率及良好的光學參數，讓光子作為量子硬體實際應用有了新的可能性。

雙光子系統與傳令光子

僅管單一光子可以可靠地儲存量子資訊，但是由於量子力學的基本限制，我們無法準確的知道一個光子源何時會產出光子供我們操作。為了解決這個問題，物理學家們開發出了雙光子系統。其原理為外來的一道脈衝，可以使特定光學系統有一定機率，一次產生相互關聯的兩顆光子，其中，我們若以探測器測得其中一顆光子的信號，並準確地紀錄光子抵達的時間（此光子被稱為傳令光子），有了傳令光子的信號後，我們就可以確定另外一顆光子也順利產生，而另一顆未被直接探測的光子，則可以作為後續量子資訊處理的運算單元。

雙光子系統-實驗架構

上圖展示了一個透過冷原子氣體所產生雙光子系統的實驗裝置圖，透過兩道雷射脈衝(Coupling和Pump beam)以及偏振調整後，產生的光子可藉由不同的光路引導到各自的探測器，並執行對光子各自抵達時間的精確計數(coincidence counting)。

雙光子實驗的時間解析

圖：傳統雙光子實驗。余教授團隊開發出的極窄線寬雙光子系統延遲時間對光子計數的關係及頻譜

透過採用極低去相干率（decoherence rate）以及高光學深度（optical depth）的冷原子系統，余教授的團隊成功在頻譜線寬上達成了世界紀錄。使得這樣的光子系統，有機會成為超導量子電腦，以及離子阱量子電腦的橋接介面。

熱原子氣體作為雙光子源

儘管冷原子系統在上述光學參數上有非常理想的表現，然而其仍受限於產生光子速率過慢（一秒約只能產生30個光子對）。余教授團隊認知到，其中一個原因來自於傳統儀器光路設計所產生的相位不匹配（phase mismatch），因此團隊新設計的光路採用了all-copropagation解決相位問題，並設計了新的濾光器，以解決all-propagation時，入射的雷射光能量會蓋過單光子訊號的問題。另外，透過調整氣體溫度，以及coupling field強度，也可以達到對光子產率以及線寬近一步的控制。