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我的光學「任意門」

看哆啦A夢卡通,最吸引我的是「任意門」。當時單純的我,開始尋找能夠實現任意門的方法,也因此踏上物理之路!

撰文/蕭雅棻

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我的光學「任意門」

看哆啦A夢卡通,最吸引我的是「任意門」。當時單純的我,開始尋找能夠實現任意門的方法,也因此踏上物理之路!

撰文/蕭雅棻


從小每當我看哆啦A夢的卡通時,總是思考著這些神奇的道具是否可以在我們的日常生活中成真?在這麼多的道具中,最吸引我的是「任意門」。為了尋找能夠實現任意門的方法,我就這樣踏上了物理研究之路。

在大學念物理系的四年中,我修了許多專業課程,也不斷思考是否能夠利用光做為傳遞訊息的工具?我經常參加物理學不同子領域的演講活動,在某一年「原子、分子和光」的暑期學校中,超低溫原子與分子實驗室的研究題目深深吸引了我!吸引我之處在於,該實驗室的研究方向是利用光來實現量子資訊的操控,或利用光來進行量子物理學的基礎研究,我仍記得當我親眼看見光儲存的那一刻,自己是何等興奮!

於是我進入了這個超低溫原子與分子實驗室做大學專題,畢業後也跟許多大學畢業生一樣,徬徨著未來的方向。幸運的是,在超低溫原子與分子實驗室擔任研究助理這段時間,我藉由研究助理的工作來探索自己的興趣、決定是否繼續升學。

從一個只做過小小專題的大學生,到成為實驗室研究助理,老師對我的要求明顯提高,我有許多知識與技能要學習和加強。一開始從大量閱讀論文期刊著手,接著學會自己製作實驗所需的儀器,再來是架設實驗系統,最後開始做實驗,讀取並分析數據。不管是平日或假日、白天或黑夜,我不斷從實驗過程中進步,學習到新的技能和專業物理知識。實驗室有定期的lab meeting,對我而言,是非常珍貴的學習與分享時間,因為這段時光可以跟平常各自忙碌的實驗室夥伴一起腦力激盪。


進出不失真的量子ATM

要操控自然界中的原子和光子並不是一門簡單的技術,更別說要利用自然界中的原子和光子做為量子資訊的應用媒介!我們實驗室利用超低溫原子做為量子記憶體的材料,以光做為儲存訊息的工具。

大家都知道,一般電腦記憶體存取效率接近100%且不失真,但是量子記憶體存取率無法達到100%,失真度很高。所以我每天的努力方向是,利用超低溫原子團把量子記憶體的存取率逼近100%。超低溫是利用雷射冷卻的方法把原子的速度降低,因而同時讓原子的溫度變低。我的實際做法是:利用電磁波引發透明效應來實現量子記憶體的存取,在實驗操作上,藉磁光陷阱來冷卻並捕捉原子,讓原子團溫度降低至超低溫:約為100μK。

因為高光學密度可以提高量子記憶體的存取效率,因此在我的實驗方法中,光學密度是最重要的參數之一,我的工作目標就是不斷努力提高光學密度。

在某一天夜深時,當我終於親眼看見自己捕捉到的超多原子團時,我開心地手舞足蹈,瘋狂地拿著相機拍下不斷發出自發輻射的螢光原子團(見106頁〈捕捉超低溫原子〉)。

在這段助理生涯的過程中,沒有足夠的熱情和想像力,是很難堅持下去的!每天進實驗室,打開實驗系統時,我常常把實驗用的原子想像成一台量子ATM機器,而光訊號就像是鈔票,而訊號保真度(失不失真)就是真假鈔。我的工作目標,就是努力讓我存進去的100元取出的訊號是100元真鈔!這樣的想像,讓我每天固定進行的抽象物理實驗變得有趣許多。


解決問題有竅門:分段擊破

架設一個龐大的實驗系統容易受溫度和濕度等環境的影響而有所改變,因此實驗系統每天都會遭遇各種狀況,例如訊號不佳、效率不好、雜訊干擾。如何在200個光學元件與錯綜複雜的光纖與電線中找出問題來源並解決問題,變得非常重要,老師傳授我的秘訣是:「解決問題最重要的能力是分段擊破、各個擊破。」

面對這複雜的實驗系統,我必須仔細一步步檢測,才能找出問題所在並想辦法解決。我每天都在思考如何解決實驗系統的問題,受到不少挫折,再加上老師不斷抱怨,不滿意為什麼實驗系統這麼不穩定?什麼時候才能做物理研究?聽到我耳中只有倍增壓力!此時有正向人生觀、對實驗有高度熱情,顯得特別重要。除了個人的信仰以外,熱情與好奇心是我面對挫折最重要的支柱。為了得知吸引我的量子世界如何運作的機制,而不只是單純維護實驗系統,我不斷思考如何讓實驗系統更加穩定以順利做實驗,經過一番努力,實驗系統終於如我所願穩定下來。

能在自己架設的系統上看見前所未見的量子物理現象與新發現,見到所期待的訊號,我經常倍感振奮、好幾天都睡不著覺,因為終於可以做物理研究了!這是一段讓我特別懷念且萬分享受的時光。

這段時期雖然辛苦,也讓我學到如何面對架設實驗系統的挑戰。曾經有人這樣問過我:「妳不覺得陳老師對你很嚴格嗎?」我說:「不,真正嚴格的是實驗系統上的原子。假如老師對我的要求是90分,那麼實驗系統對我的要求就是99.99分。」

因為對實驗系統而言,只要一個小元件(例如鏡子、螺絲)架設不好、鎖得不緊,都會讓實驗系統無法得到所預期的訊號,甚至導致系統問題層出不窮。因此在這過程中真的體會到「要做就是要做到最好!」無論看似多麼不起眼的小螺絲,在實驗系統上都有不可忽視的重要性。精準、細心,是成功架設穩定的實驗系統不可或缺的條件。


萬能的實驗助理

在開始擔任研究助理時,曾經幻想著自己是待在愛因斯坦身邊一起探索、認識物理世界的小跟班。但實際上,研究助理就像阿拉丁神燈故事裡的精靈,必須成為老師的研究精靈,與實驗室學弟妹的幫手。老師非常忙碌,有各種龐雜事務要處理,當老師忙碌時,研究助理便成為學弟妹的討論對象、是老師和學弟妹之間聯繫的橋樑。

擔任研究助理的生活中,除了幫忙老師進行實驗,協助思考學弟妹的研究問題以外,最享受的時光是實驗上對物理現象的探索。很多時候,能跟實驗室的成員一起在實驗上發現新的物理現象,大膽假設、小心求證,就彷彿是科學小偵探一樣,藉由抽絲剝繭的過程來揭開物理世界的面紗,在這過程中,研究助理不只是一份工作,更是對量子世界的探索之旅。老師不會時時拿著計畫報告來壓榨實驗室的每一位成員,他反而重視的是我們學習物理學與做研究的過程。


物理!悟理!

偷窺和操控量子世界,不能有中國傳統中「差不多就好、別這麼計較」的馬虎心態,而是要以「要做就是最好的」標準來努力並要求自己。

老師提醒我:「做物理實驗的人不能只有單單在物理學上有所進步,而是要內化成悟理(自我哲學)的境界,運用在人生的道路上。」是啊!在這實驗室中,擔任研究助理的工作,一路跌跌撞撞,有歡喜快樂也有挫折沮喪,甚至曾經浮現想放棄和懷疑自己的念頭。我從一名大家包容什麼都不會的大學生,成為什麼都要會的研究助理,小則修除濕機、自製所需儀器,大到要思考解決量子記憶體的問題、完成老師交代的使命,對我而言真的是一個很大的轉變。

但是讓我撐過來的原因是,我選擇了一個自己喜愛的研究領域、每天都在做自己熱愛的事情,就是這股熱情,支持並陪伴我走過這段煎熬的時光。我對於研究充滿了熱情,期望自己能扮演小太陽的角色,用我對研究的熱愛去感染其他人,讓實驗室的研究生活不只是嚴肅的解決問題,而是更多的能量!

研究上的討論,常激盪出更多的想法、研究方向與題目,也激盪出對研究的不同看法,必須親自做實驗試一試。研究助理也身兼實驗室管理員,我期望有好的實驗環境,並增加實驗的研究效率,因此,我會把實驗室的元件擺放得井井有序,同時也會注意各樣細節,例如適時盤點和採購實驗上所需的元件與儀器。對於硬體方面,如果儀器或元件稍有異常情況,就要即時troubleshooting,檢查哪裡出了問題?如何維修?不知不覺,練就了一身水電工的本領。


研究助理的科學夢

每天控制著將近200個光學元件的巨大實驗系統並不輕鬆,然而當實驗結果幾乎符合理論推導,每每都讓我開心不已。物理學之於我,不只是數字符號組成的方程式遊戲,而是人類用有限的智力去探索難以捉摸的量子世界。

實驗過程中,我也常思考如何把科學的現象和原理,應用在促進人類的發展。例如量子電腦,利用量子位元來處理資訊,而我的研究主要就是提升量子訊息的處理與存取。能夠在這個實驗室擔任研究助理,與世界各地的科學家一同努力思考如何提高訊號存取率,對我真的很有意義!