中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在單光子非互易傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)史保森教授、丁冬生教授與南京大學(xué)夏可宇教授和日本理化所的Franco Nori教授合作，利用室溫下的原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超越磁光效應(yīng)的百兆赫茲帶寬單光子非互易傳輸。該研究成果于2021年3月19日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊Science Advance。

實(shí)現(xiàn)單光子非互易傳輸?shù)钠骷�是量子�?jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的基本元件之一，涉及到時(shí)間反演對(duì)稱破缺和非厄米動(dòng)力學(xué)等原理。簡(jiǎn)單講非互易傳輸就是控制信號(hào)的單向傳輸，許多實(shí)際的物理過(guò)程中都涉及了信號(hào)的單向傳輸，比如電子在二極管中的單向傳輸。同樣，單光子信號(hào)的非互易傳輸在量子信息處理過(guò)程中也具有重要應(yīng)用，目前是量子信息領(lǐng)域中的重要課題之一。光學(xué)非互易傳輸傳統(tǒng)上可以通過(guò)材料的磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，然而受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響，這種非互易器件很難集成化、小型化，因此無(wú)需外加磁場(chǎng)能夠超越磁光效應(yīng)的光非互易器件對(duì)于光子集成體系顯得尤為重要。盡管近些年來(lái)，研究人員陸續(xù)提出了各種無(wú)磁非互易的方案，然而實(shí)現(xiàn)真實(shí)單光子非互易器件仍然具有很大的挑戰(zhàn)。

史保森教授、丁冬生教授等人一直致力于光與原子的相互作用的研究，利用克爾非線性效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)腔的光學(xué)隔離器和環(huán)形器[Phys. Rev. Research 2, 033517(2020)]，證明了利用熱原子氣室可以實(shí)現(xiàn)弱光下的四通道光學(xué)環(huán)形器。在此基礎(chǔ)上，他們開展了單光子條件下的非互易研究：利用冷原子系統(tǒng)產(chǎn)生了標(biāo)記單光子，并將單光子作為信息載體入射到熱原子隔離器，基于電磁感應(yīng)透明和拉曼躍遷兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)了真實(shí)單光子的雙向非互易傳輸，隔離度為22.5+/-0.1dB，帶寬達(dá)數(shù)百兆赫茲。除此之外，他們還實(shí)現(xiàn)了多頻段復(fù)用的光學(xué)非互易，從而拓展了可實(shí)現(xiàn)非互易的信號(hào)頻段范圍。該實(shí)驗(yàn)研究利用常見的多普勒效應(yīng)，具有普適性，并且由于熱原子汽室本身不涉及磁場(chǎng)，器件簡(jiǎn)易，易于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，因此該結(jié)果在實(shí)際可集成化的經(jīng)典和量子信息處理過(guò)程中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖1.原子熱運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的光學(xué)非互易原理示意圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2.單光子非互易實(shí)驗(yàn)結(jié)果

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后董明新為論文第一作者，通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)史保森教授、丁冬生教授和南京大學(xué)夏可宇教授。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和安徽省引導(dǎo)專項(xiàng)的支持。

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