量子科技新突破：人工原子實現光的儲存與控制

想像一下，不用顯微鏡就能親眼看見量子物體，這聽起來像是科幻情節，但維也納科技大學（TU Wien）和奧地利科技研究院（ISTA）的研究團隊已經將這一夢想變為現實。他們利用超導電路，創造出在量子尺度下堪稱「巨大」的人工原子，並成功實現了光的儲存與控制，為量子科技開闢了全新道路。

與自然界中的原子不同，這些人工原子可以根據需求進行精確設計，讓科學家能夠以前所未有的方式操控能量層級和相互作用。研究團隊透過耦合這些人工原子，開發出一套系統，能夠儲存並重新釋放光，這項突破為未來的量子實驗奠定了重要基礎。此外，這些人工原子還能產生精確的量子脈衝，並作為一種量子記憶體，為量子層級的光控制提供了前所未有的精準度。

許多量子物體，例如單個分子或原子，通常需要藉助特殊顯微鏡才能觀察。然而，維也納科技大學原子與亞原子物理研究所的Elena Redchenko所研究的量子結構卻截然不同——這些結構雖然在日常生活中仍屬微小，但在量子物理領域卻顯得龐大，尺寸可達數百微米，甚至可以用肉眼勉強觀察到。

這些大型量子物體實際上是超導電路，當冷卻到低溫時，電流可以在其中無阻力地流動。與自然界中具有固定特性的原子不同，這些人工結構可以被精確定製，從而讓科學家在受控環境中操縱和研究各種量子現象。這些人工原子的物理特性可以根據實驗需求進行調整，因此常被稱為「人工原子」。

研究團隊透過耦合這些人工原子，開發出一套能夠儲存和重新釋放光的系統，這項突破由ISTA的Johannes Fink研究團隊完成，並得到了維也納科技大學理論物理研究所Stefan Rotter的理論支援。相關研究成果已發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

量子物理的一個關鍵特性是，某些物體只能處於特定的能量值。正如研究論文的主要作者Elena Redchenko所解釋：「電子繞原子核運動時，只能處於較低或較高的能量狀態，中間值在物理上是不可能的。然而，我們的人工原子可以自由選擇允許的能量值，並精確設定能量間距。」

研究團隊將微波透過一條特殊金屬線（諧振器）傳輸，這條線直接穿過超導人工原子。微波與人工原子相互作用，部分微波輻射可以在金屬線和人工原子之間來回傳遞，這種相互作用的強度也可以精確調整。Redchenko表示：「我們可以證明，微波和人工原子之間的光子交換是以精確可預測的方式進行的，這得益於人工原子提供的巨大工程自由度，讓我們能夠實現傳統原子或其他自然量子物體無法想像的操控。」

如果人工原子被正確調整，還可以產生特殊的量子脈衝節奏。Redchenko解釋：「我們向金屬線傳送一個短暫的經典微波脈衝，但與人工原子的相互作用可以產生一系列量子脈衝，這些脈衝的時間間隔可以控制，就像一個晶片上的量子計時器。」

Redchenko總結道：「我們的研究展示了這套系統的靈活性，以及它在各種量子實驗中的精確應用。例如，它可以產生單個且明確分離的光子，這對許多實驗至關重要。同時，它還能暫時儲存光子，直到它們被重新釋放，這項技術也為未來的應用帶來了無限可能。」

參考文獻：E. S. Redchenko等人，《超導原子頻率梳中的崩潰與復甦觀察》，2025年2月11日，《物理評論快報》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.063601