E起計量打基礎_有如運動比賽雙方攻守戰術手冊之雷射干涉的互相關光子對 No. 47
我2020年初摘譯的一篇與今（2022）年諾貝爾物理獎得主研究量子力學、糾纏、自旋有關的技術資訊報告，分享給大家。
E起計量打基礎
By 周隆亨 (Henry Chow)
主題： 有如運動比賽雙方攻守戰術手冊之雷射干涉的互相關光子對 No. 47_20200106
有如運動比賽雙方攻守戰術手冊之雷射干涉的互相關光子對1,2
NIST科學家研究團隊在相隔一百五十公尺的兩棟大樓中產生不同顏色的成對互相關光子對
粒子的行為有時可以如波動，而光子(photons, 具有光屬性的粒子)也沒例外。就像波動會產生波的干涉型態，有如池塘中的漣漪波紋，光子也會有這樣的行為。美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)的物理學家研究團隊最近已獲得一個重大的研究突破壯舉，亦即在兩個顯著不同顏色光子之間創造出一個怪奇的”量子”干涉，該兩個不同顏色的光發自馬里蘭大學校園的兩棟大樓。這個干涉實驗是對於未來量子通訊與量子運算的重要一步，潛在性可以做到之前傳統電腦所無法做到的事情，包括破解極具威力的加密密碼，以及模擬非常複雜的新藥在人體內產生的行為。兩個光子間產生的干涉可以連結遠距相隔的量子處理器，使得有如互聯網的量子電腦網絡成為可能。用到原來就有不同顏色(亦即波長)的光子是很重要的概念，因為這樣就模倣了量子電腦的運作方式。例如，可見光的光子能夠與被困住的原子、離子或其他系統產生交互作用，因而就能作為量子版的電腦記憶體，至於較長波長(近紅外光區)的光子也就能夠透過光纖達到長距離的輸送。就如在複雜的網路運算成為可能之前，傳統電腦需要有可靠的方式去傳遞、儲存和處理電子，NIST團隊的研發結果將量子計算資訊的交換往前帶向更接近實現的重要一步。
在NIST與美國陸軍研究實驗室(Army Research Laboratory, ARL)的協作研究中，物理學家和工程師團隊在馬里蘭大學校園鄰近的兩棟大樓中創造出兩個不同且分離的獨立光子源。在其中一棟大樓，一群銣(rubidium)原子驅使放射出一顆一顆波長780 nm的單顆光子，到可見光譜區的紅光端。在150米之外的另一棟大樓，一個被困住的鋇(barium)離子引導釋放出波長 493 nm的單顆光子，幾乎比前一顆光子的波長短40%，到光譜區的另一端藍光端。接下來研究團隊必須促使藍色光子酷似紅色光子。為達成這項要求，聯合量子研究院(Joint Quantum Institute, JQI)，與NIST和馬里蘭大學協作夥伴的研究團隊及其同僚，將藍色光子與紅外光在一個特殊晶體中混合。該晶體採用紅外光將藍色光子隱蔽進入一個波長匹配的紅色光子中，然後送到另一棟大樓卻仍保有它們各自原有的屬性。只有這樣，團隊才能夠透過150米的光纖將這混合兩色的光子，送到另一棟大樓中去與幾近等同的紅色光子相會合。這兩個相會合的光子是如此類似，以致無法在實驗裝置中區分出來。個別的光子通常的行為是彼此獨立而行的。但是基於光之奇異的量子特性，當兩個無法分辨的光子彼此相互干涉，它們的路徑就能變成互相關，亦或彼此相依。這樣的量子互相關就能夠用來當作強而有力的運算工具。當分別產生的光子對相交，就確實足以讓研究團隊觀察到這樣的量子互相關現象。光子對穿過習知的分光鏡(beamsplitter)光學元件，就能將它們拆分成兩道不同的光子路徑。當獨自行走，每一個光子都會各自走自己的路，且有50%機會走上述兩道路徑之任一路徑。但是該無法分辨的兩個光子重疊的時候，就又會如同(光)波行走般。因為光子怪異的量子干涉行為，它們會聚在一起且總是在同樣的路徑上行走。當這些原來是各自獨立的光子在波峰上相會合流，所產生的建設性量子干涉效應就有潛力在量子信息的處理上，執行許多有用的任務。團隊的研究發現刊登於最近一期 Physical Review Letters的期刊3上。
如果干涉型態連結至量子力學另一個稱作糾纏(entanglement)的怪異屬性，就會直接與量子運算搭上關係。這個現象發生在當兩個或更多的光子或是其他粒子準備進行一項特殊屬性的量測，就以量測動量(momentum)為例，當量測到一個的動量，就能夠自動決定另一個的同樣動量屬性，縱使粒子之間相隔很遠。糾纏處於許多量子信息機制的核心，包括了量子運算與加密。在團隊的實驗中，這兩個光子尚未與產生它們的系統發生糾纏。但在未來的研究中，應該可以相當輕易地將紅色光子與產生該光子的銣原子群糾纏在一起。相似地，藍色光子也應可以與產生它們之被困住的鋇離子糾纏在一起。當這兩個光子產生干涉，如此光子的連結可以將紅色光子結合銣原子和藍色光子結合被困住的離子之間的糾纏轉移，變成銣原子和被困住的離子之間的糾纏。
就是這個糾纏的轉移，亦即資訊的轉移傳遞，凸顯了量子電腦在這方面潛在之龐大威力。
Courtesy of NIST: Schematic of an interference experiment in which two photons are produced in
different buildings, are generated by different sources and have different colors.
different buildings, are generated by different sources and have different colors.
Ref: 1) A New Playbook for Interference, NIST News, December 17, 2019. (https://www.nist.gov/news-events/news/2019/12/new-playbook-interference )
2) Remote Quantum Systems Produce Interfering Photons, JQI News, December 17, 2019. (https://jqi.umd.edu/news/remote-quantum-systems-produce-interfering-photons )
3) Paper: A.N. Craddock, J. Hannegan, D.P. Ornelas-Huerta, J.D. Siverns, A.J. Hachtel, E.A. Goldschmidt, J.V. Porto, Q. Quraishi and S.L. Rolston. Quantum Interference between Photons from an Atomic Ensemble and a Remote Atomic Ion. Physical Review Letters. Published online Nov. 18, 2019. DOI:10.1103/PhysRevLett.123.213601 (https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.213601 )
2022.10.04 一年一度，眾所矚目2022 「6項」諾貝爾獎得主宣布，第二天：
物理學 獎於10 月 4日星期二，最早的 歐洲中部時間（CEST ）最早 時間 11:45am(台灣下午5:45pm)…. 斯德哥爾摩（法新社）：彎曲和操縱光使物體不可見或更有效地利用光來發電是周二有望獲得諾貝爾物理學獎的發現之一？？！！….
…量子力學拿走了！今年2022的諾貝爾物理學獎授予了 …3位量子物理學家…
1）Alain Aspect （阿蘭·阿斯佩，出生於阿讓，法國物理學家、卡尚高等師範學校校友。）
2）John F. Clauser （約翰·弗朗西斯·克勞澤，生於帕薩迪納，美國理論和實驗物理學家，他主要以對量子力學的研究而出名，尤其是CHSH不等式。1969年到1996年他主要在勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、伯克利加州大學工作。）和 …
3）Anton Zeilinger（安東·蔡林格，奧地利量子論物理學家。他現在是維也納大學物理學教授，以前曾任教於因斯布魯克大學。他還是奧地利科學院量子光學與量子資訊研究所維也納分所主席。蔡林格以發現光子的量子纏結而知名。）
…..
以表彰他們在量子信息科學方面的工作。！
鵝湖民國學案藏經閣 