撰稿 / 鄭淳澧 (科學推展中心特約編輯)
物質波分光鏡在量測多維原子干涉中扮演了關鍵角色，能夠精準地操控粒子的量子態，是多維原子慣性傳感器的主要組成元件。與傳統的原子干涉儀只能分別檢測速度、加速度、旋轉相比，透過多維物質波分光鏡能夠做更緊湊的測量，同時檢測速度、加速度和旋轉。由成大管培辰助理教授領導的團隊在實驗中發現，外部磁場作為量子軸，其方向對於訊號強度至關重要。錯誤的量子軸方向可能將訊號抑制為零。
此外，通過考慮拉曼躍遷，尤其是在雙光子與四光子拉曼躍遷之間的關鍵差異（量子軸垂直與否），可以有效地配置具不同量子軸的分光鏡。而在改變 雙光子與四光子躍遷中的量子軸並觀察結果，也指出不同方向的物質波分鏡不完全一致時可能會導致額外的系統誤差 。
圖1. 多維分光鏡中，黑點代表真空腔的原子，外部磁場 B 為量子軸，實心與空心箭頭分別代表四光子、雙光子拉曼脈衝光束。(a) 兩個四光子的二維分光鏡，磁場垂直定向。(b) 兩個雙光子的二維分光鏡，磁場方向位於兩個雙光子構成的平面上。(c) 兩個四光子、一個雙光子的三維分光鏡，磁場垂直定向。(d) 由三個雙光子構成的三維分光鏡，磁場位於三者中心位置。(e) 系統示意圖，除了用於磁光陷阱（Magneto-optical trap，MOT）的反亥姆霍茲線圈，也使用了兩個亥姆霍茲線圈生成指向 x 及 z 方向的均勻磁場。(f) 實驗中相關原子躍遷的能級圖。
實驗透過 MOT 冷卻 85Rb（銣同位素）至 6 μK，並利用脈衝光束來驅動拉曼躍遷，其中外部磁場透過通過線圈的電壓來調節，加上光束強度的變化，就可實現如圖1. (a) – (d) 等二維、三維的不同配置。脈衝光是為了觀察粒子的能級躍遷，而拉姆齊干涉測量法是施加電磁場，來觀測基態到激發態的機率，形成了拉姆齊干涉條紋，因物質波不像可見光干涉條紋那般，是基於量子態的疊加與相位差來測量與描述粒子的量子態。
圖2. 點為實驗數據，而線條的擬合函數為 Ao sin [(δ − δo )T ] + Bo (δ − δo ) + Co，其中 δ 表示拉曼躍遷的角雙光子失諧（Detuning），T 為脈衝間隔，所有失諧都是 δ/2π。(a) 使用兩個單光束及其組合，在相同的單光子失諧下獲得的拉姆齊干涉條紋。(b) 使用兩個單光束及其組合，但失諧差為 120 MHz 下獲得的拉姆齊干涉條紋，兩種情況的脈衝持續時間都是 80 μs。(c) (d) 分別基於二維與三維的拉曼躍遷下的拉姆齊干涉條紋，(d) 的插圖還顯示了 Ao 與脈衝持續時間的關係。
為了增強訊號減少噪訊，實驗在各個方向的單光子失諧中引入頻率差，由傅立葉變換可估計雷射光場的頻率差應該遠大於 1/τ，其中 τ 是脈衝持續時間以避免干涉，如圖2. (a)、(b) 中，拉姆齊干涉條紋的偏移可能是單光子散射和拉曼躍遷的非共振所引起，而脈衝時間設定 80 μs，(b) 的失諧差為 120 MHz，成功避免不必要的干涉, 提高對比度。所以，透過調整失諧頻率差與脈衝持續時間能夠優化干涉效果，如圖2. (c)(d) 顯示當脈衝持續時間從 80 μs 一路降低到 25 μs 時，對比度上升了，而從圖2.(d) 可以觀察到，若脈衝持續時間再從 25 μs 降到 20 μs 時，對比度卻下降了。
在這個實驗中發現，若量子軸偏移會導致對比度降低。由於四光子的拉曼躍遷可實現光束與磁場的垂直對齊，雙光子則是平行對齊，所以多維的配置更有助於識別與校正量子軸偏移所導致的誤差。最後，物質波分鏡也可能構成多維量子漫步的實踐，其可用於將來探討相關量子模擬或量子演算法的課題。
