從超冷鐿原子出發
邁向連續式量子科技
研究動機
光學原子鐘的相對頻率不確定度已突破 10⁻¹⁸,徹底革新了頻率計量——其誤差累積一秒鐘所需的時間,相當於整個宇宙的年齡——同時也為量子感測與量子資訊科學開啟了全新的道路。
其中最具代表性的平台之一,是以鍶、鐿為代表的類鹼土金屬(AEL)原子。其雙價電子結構帶來極其豐富的光學躍遷譜線,從寬達 MHz 等級的譜線,到超窄的 mHz 時鐘躍遷皆有,讓我們能以前所未有的精度操控原子的內部與運動狀態。
關鍵在於,支撐這些時鐘躍遷的長壽命亞穩態,不僅造就了迄今最穩定的原子鐘,更揭示了一個多維度的量子位元空間——涵蓋基態核自旋量子位元、光學量子位元,以及亞穩態超精細與核自旋態。因此,AEL 原子是統合精密計量、量子模擬與可擴展量子計算的下世代量子科技的絕佳候選。
一切從鐿原子出發
2022 年的里程碑
本實驗室兩位 PI 於博士期間,發表了世界首例連續雷射的物質波對應物——一台真正的連續波原子雷射。他們開發出新技術,能持續維持高通量、近量子簡併的 AEL 原子(鍶)源,這在連續式超冷原子的產生上是一項重大里程碑,並開創了全新的實驗典範〔Nature(2022)〕。一個引人深思的問題隨之而來:這種連續源架構,將如何重塑量子科技的樣貌?
核心研究問題
我們能否以對光學量子位元的連續詢測取代脈衝式操作,藉此推進原子鐘——可能實現穩定度的 τ⁻¹ 縮放,或達成在 mHz 時鐘躍遷上的連續超輻射?
我們能否串連中性原子的處理節點,構築出量子網路?
我們能否將超窄時鐘躍遷不只用於光譜學,更作為精密工具來設計糾纏態與多體量子態?
我們能否利用長壽命亞穩態,打造一台連續運作、可擴展的量子處理器——又該如何長時間高保真度地初始化、操作並維持這樣的系統?
這些核心問題引導著我們持續進行的研究。我們的目標是開發關鍵的控制工具與系統架構,讓連續式 AEL 原子源成為未來量子感測器、量子模擬器與量子計算平台的骨幹。