量子天線：Rydberg 原子於兆赫茲訊號量測與頻率梳校正的突破性應用

「此研究發表於 Optica 期刊，為極其靈敏的光譜學和新一代室溫量子感測器開啟了大門。」— University of Warsaw 研究團隊

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兆赫茲頻段的精準量測：挑戰與意義

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兆赫茲（Terahertz，THz）波位於微波和紅外線之間，在通訊、醫學影像、安全檢測等領域具有巨大潛力。然而，長期以來，兆赫茲波的精準量測一直是個難題。傳統電子和光學方法在兆赫茲頻段面臨諸多限制，導致相關技術的發展受阻。此研究的突破，有望克服這些限制，進而推動兆赫茲技術的廣泛應用。

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頻率梳：電磁波的精準標尺

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頻率梳（Frequency Comb）是一種間隔均勻的雷射光譜，猶如一把電磁波的「標尺」，可以對未知訊號的頻率進行極其精確的測量。因其在精密測量領域的革命性影響，頻率梳技術的發展者榮獲 2005 年諾貝爾物理學獎。然而，兆赫茲頻率梳的精準量測，因傳統方法的限制而困難重重。華沙大學的研究團隊利用 Rydberg 原子技術，成功克服了這個挑戰。

「頻率梳可以被想像成一把極其精確的標尺，但它不是由固體材料製成，而是由光或無線電波製成。」

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Rydberg 原子：量子天線的嶄新選擇

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Rydberg 原子是指電子被激發到非常高軌域的原子，具有對外部電場極其敏感的特性。研究團隊巧妙地利用 Rydberg 原子作為「量子天線」，透過精確調諧雷射，使偵測器能夠對兆赫茲範圍內的特定頻率產生響應。這種創新的方法，為兆赫茲訊號的精準偵測開闢了新途徑。


Rydberg 電測法與無線電波到光轉換技術的結合


單獨使用 Rydberg 電測法在偵測微弱訊號時靈敏度不足。為了解決這個問題，研究團隊將 Rydberg 電測法與無線電波到光轉換技術相結合。這種混合方法將光子偵測的極高靈敏度，與 Autler-Townes 方法的校準能力結合，即使對於最微弱的訊號，也能恢復校準能力。
兆赫茲頻率梳的校準與應用
基於 Rydberg 原子的感測器可以調諧到頻率梳的單個「齒」（tooth），從而實現跨越廣泛頻率範圍的精確校準和強度確定。這克服了先前確定單個梳齒功率的挑戰，使得兆赫茲頻率梳在精密測量、光譜學等領域的應用成為可能。此項技術的突破，使得研究人員能夠更精準地控制和利用兆赫茲波。
室溫操作：邁向實際應用的關鍵
許多量子技術需要在極低的溫度下才能運行，這大大限制了其應用範圍。然而，華沙大學的研究團隊所開發的系統可以在室溫下運行，這降低了成本，並增加了商業應用的可行性。這項優勢將加速兆赫茲技術的發展和普及，為各個領域帶來革新。

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研究經費與未來展望

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此項研究是 「量子光學技術」（Quantum Optical Technologies） 計畫的一部分，該計畫由歐盟和波蘭國家科學中心共同資助。這顯示了國際社會對量子技術發展的高度重視與投入。隨著研究的深入，基於 Rydberg 原子的量子天線技術將在兆赫茲計量學領域發揮更大的作用，並為科學研究和產業應用帶來更廣闊的前景。學者與研究生可以透過搜尋 “Optica” 期刊，以及 “University of Warsaw Rydberg atoms terahertz” 關鍵字，找到相關研究的原始論文與更多詳細資訊。

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University of Warsaw, Faculty of Physics. (2025, December 13). New quantum
antenna reveals a hidden terahertz world. ScienceDaily. Retrieved December 13,
2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251213032617.htm\n—\n Story Source:
Materials provided by University of Warsaw, Faculty of Physics. Note: Content may be edited for style and length.