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當超冷原子遇上無線網路

104/03/16 3885

郭西川｜國立彰化師範大學光電科技研究所

荷蘭埃因霍溫技術大學的數學家桑德斯（J. Sanders）和他的物理學家同事最近發現，超冷氣體中的雷德堡原子（Rydberg atoms）的行為和隨機存取無線通訊網路之間有驚人的相似處。這項研究的焦點是名為「載波偵聽多路存取」（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）的通訊協議。在這個協議下，網路上每個節點（例如Wi-Fi的基地台）都可以接收和發送無線數據，不過為了降低網路節點間不必要的訊號干擾，讓能使用的頻寬達到最大，每一個成員在送資料前必須先確認網路上是否有資料正在傳送，如果偵測不到訊號，就表示可以傳輸。

桑德斯及合作者發現CSMA網路協議中節點收發訊號的動作跟雷德堡原子所具有的「偶極阻斷效應」（dipole blockade）有相同的特徵。所謂的雷德堡原子，是指一個受激的原子（假設原子序為Z）中有一個價電子被光場激發到遠離原子核、主量子數很高的能階上，其餘填充在低殼層的電子屏蔽掉原子核中Z-1顆質子，結果這個遠離核心的最外層電子只感受到類似氫原子核的庫侖電位勢，其能量可以由雷德堡公式描述。雷德堡原子有很大的偶極矩（正比於主量子數平方），其對應的長程偶極作用力會改變相鄰原子的能階，防止它們藉由吸收光子也成為雷德堡原子。這種偶極阻斷現象發生在以雷德堡原子為中心的某一半徑內，在這範圍內無法激發第二個雷德堡原子，直到原先的雷德堡原子衰變，不再是雷德堡原子為止。

桑德斯及合作者構思將兩道不同頻率的雷射光照射在超冷氣體（約為絕對溫標百萬分之一度）以產生雷德堡原子。由於超冷氣體的溫度極低，原子可視為固定不動。桑德斯指出這兩個系統關鍵的相似點：原子躍遷的速率對應於在該無線網路節點開啟的速率，而該雷德堡原子衰變的速率則對應到無線網路節點中斷的速率。更進一步，研究人員可以利用他們對CSMA網路的知識基礎來研究雷德堡氣體的動力學特性。他們計算出特定結構中雷德堡原子和非雷德堡原子發生的機率，而這些計算顯示，最有可能的組態是形成雷德堡原子的晶格，而這個理論預測確實符合實驗結果。另一方面，桑德斯等人也應用當初設計來最佳化無線網路流量的運算法，研究了如何針對個別原子照射不同強度的雷射，以產生特定的晶格結構。

這項研究工作的重要性在於它能控制雷德堡原子排列成特定的晶格結構，所以可以用來製備量子態或作為量子邏輯閘（quantum logic gate）。這個團隊的成員目前正在思考如何在實驗室中實現其控制算法。由於CSMA網路的最佳化本身是一個數學難題，在實驗室中創造這類系統的另一個好處是提供了一種模擬隨機存取網路的方法，或許能用來改進無線網路的操作。（本文由科技部補助｢學習在雲端―揭開科學與科技的神秘面紗｣執行團隊撰稿）

責任編輯：盧妍竹
審校：張惠博

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