量子乒乓球：原子光子控制的新時代

編譯／高晟鈞

原子可以吸收並重新發射光，這是物理上的常見現象。如果一個原子在自由空間的某個地方發射光子，其方向是完全隨機的。因此，理論上另一個遙遠的原子要再次捕獲這個光子可說是難如登天，全憑偶然。

但倘若實驗是在封閉空間中進行，情況就完全不同了。

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麥克斯韋魚眼透鏡的秘密

大約150年前，物理學家James Maxwell提出了一種圓形透鏡，中心最厚，在邊緣處逐漸變薄。當光線穿越這種透鏡時，會繞著完美的圓圈行進，創造出非同尋常的光路。

由於空氣與水的密度差異，吸管在水中看起來是折斷一般。同理，在麥克斯韋魚眼透鏡的理論模型中，密度變化是循序漸進的並沿著圓形圖案分布，這種結構使得光線緩慢地彎曲而不是折斷，引導光線在透鏡中繞著完美的圓行進。

物理學家Ulf Leonhardt在2009年的研究中也提到了，魚眼透鏡的單點聚焦將有可能使透鏡相反兩端的原子發生量子糾纏。

量子乒乓球

在2018年的一項模擬中，研究團隊使用單光子與兩個原子組成簡單的量子系統。其中，第一個原子處於激發態，第二個處於基態，透鏡則位於兩者之間。當第一個原子發射光子時，會沿著圓形軌跡穿過透鏡，被第二個原子所暫時吸收。隨後第二個原子會將光子重新發射，並通過透鏡精準返回第一個原子的位置。

這種現象，如同量子乒乓球般，在某個極短的時間點上，兩個原子某種程度上都有光子。正是這種糾纏概念，使兩個原子完全平等地共享一個光子。

馴服波浪

基於前人的種種成果，維也納工業大學團隊提出了更好的優化策略。光線在穿越如水、空氣等均勻介質時可以直線前進，在魚眼透鏡中則緩慢彎曲地前進。

透過這種方式，可以確保一個原子發出的所有光線都能沿巡彎曲路徑抵達透鏡的邊緣，最後反射至目標終點的另一原子。在這種情況下，該效應比簡單的橢圓更有效，並且偏離原子理想位置的可能較小。

量子技術的起點

到目前為止，該理論已經得到實驗證明。這個概念將可能是量子控制系統的一個有趣起點。

資料來源：Scitechdaily

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