3D 奈米列印「光籠」上陣，為量子記憶體開闢新路

來自柏林洪堡大學、萊布尼茲光子技術研究所與斯圖加特大學的研究團隊，近期在期刊《Light: Science & Applications》發表量子光子技術新成果。他們利用 3D 奈米列印製作「光籠」（light cage）結構，在晶片上實現可於室溫運作的量子記憶體（quantum memory），為量子通訊與光子量子計算提供更具可擴展性的技術路徑。

量子通訊怎麼運作？

在量子通訊中，資訊通常由單顆或極少量的光子承載。光子之所以成為量子資訊的主要載體，原因在於其可在光纖中以接近光速傳遞，且相較其他量子載體，更適合用於遠距離節點之間的連結，因此成為量子網路的核心媒介。

然而，當光子數量降低至單光子或近單光子等級時，即使微小的光纖損耗、散射或環境雜訊，都可能導致光子消失，進而使其攜帶的量子狀態一併遺失。

為了解決光子在傳輸途中容易消失的問題，科學家提出量子記憶體的概念，將光子所攜帶的量子狀態暫時保存，並在需要時再釋放，使量子資訊能以「先存再傳」的方式進行分段傳遞。

透過量子記憶體的輔助，讓遠距離量子通訊不再受限於單段光纖的損耗限制，而是透過多個節點逐步延伸通訊距離。

不過，過去的量子記憶體方案多半仰賴低溫環境或高度複雜的原子操控技術，例如超冷原子系統或精密的原子陷阱（atomic trapping systems）。這類系統雖能在實驗條件下驗證量子記憶體原理，但往往體積龐大、操作條件嚴苛，也難以與現有光子晶片與光纖通訊架構整合。

光籠的設計與製作流程

因此，研究團隊提出「光籠」（light cage）做為新的解法。光籠是一種中空核心波導（hollow-core waveguide），可將光限制在微小結構中傳播，同時在側向保持開放，讓原子介質能快速進入核心區域。這種設計使光與原子的交互作用能在極短距離內高效率發生，成為量子記憶體運作的基礎。

與傳統中空核心光纖（hollow-core fiber）不同，光籠不需依賴單一端口填充原子，而是透過側向開放結構，讓原子能快速擴散進入，顯著縮短準備時間。

研究人員首先透過雙光子聚合微影技術（two-photon polymerization lithography），在矽基板上以商用 3D 列印系統製作光籠結構。由於光籠側向開放，銫原子（cesium atoms）可在數天內擴散進入核心區域，相較傳統方法需耗時數月，效率大幅提升。

為確保裝置能在高度活潑的銫蒸氣環境中長期穩定運作，研究團隊在光籠表面施加保護塗層，並將整片光籠晶片封裝於銫蒸氣池（cesium vapor cell）中。隨後，透過雷射脈衝進行測試，驗證導引進入光籠的弱光脈衝可被轉換為集體原子激發態（collective atomic excitation），並在設定的儲存時間後重新釋放為光訊號。