中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在光纖微腔的腔量子電動力學(xué)領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、王健等人基于光纖微腔-銣原子系統(tǒng)首次實驗觀測到原子共振熒光中的雙光子糾纏。該成果于2月5日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。

共振熒光是二能級系統(tǒng)在被共振激發(fā)時輻射的光場，是最基本的量子光源，也是量子光學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。理論研究表明，共振熒光中同時存在著彈性散射和非彈性散射兩種成分，其中非彈性散射過程可以有兩個光子參與，并且這兩個光子處于能量-時間糾纏態(tài)。然而由于非彈性散射過程發(fā)生概率低，且受限于原子線寬窄、囚禁困難大以及熒光收集效率低等因素，原子共振熒光中的雙光子糾纏現(xiàn)象尚未被實驗所證實。

原子腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)是研究光與原子相互作用的理想平臺，國際上該領(lǐng)域的研究主要集中于原子與光學(xué)腔的強耦合區(qū)域。李傳鋒、王健研究組長期從事光纖微腔實驗研究，率先在國內(nèi)搭建了完整的光纖微腔制備和應(yīng)用平臺，開發(fā)出一套工作在普塞爾（Purcell）區(qū)域的光纖微腔-中性原子實驗系統(tǒng)。相比于強耦合區(qū)域，工作在普塞爾區(qū)域的系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，包括光子讀出速度快、增益譜線寬、收集效率高等，適合進行量子光學(xué)和量子網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)實驗研究。具體而言，研究組通過二氧化碳激光器在光纖端面燒制面型并鍍上特定膜層，搭建出基于光纖的法布里-珀羅微腔，該微腔具有極小的模式體積，能夠?qū)崿F(xiàn)光與原子的相互作用。此外，基于抑制偶極阱引起的腔長漂移和可移動光學(xué)晶格等多種技術(shù)，研究組實現(xiàn)了光纖微腔內(nèi)單個原子的分鐘級壽命的囚禁。

研究組基于該系統(tǒng)研究共振熒光中的非彈性散射過程，為原子能級躍遷提供了寬譜的增益，并同時增強了共振熒光中兩光子散射。通過自主設(shè)計的基于過耦合機制的光學(xué)陷波濾波器，逐步濾除共振熒光中彈性散射成分，觀測到光場從亞泊松分布到超泊松分布的轉(zhuǎn)變。進一步采用Franson型干涉儀對兩光子進行聯(lián)合分析，最終以違背貝爾不等式8個標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果，實驗證實共振熒光中非彈性散射的光子是能量-時間糾纏的。最后，研究組通過調(diào)控光纖微腔與單原子的耦合強度，成功觀測到了雙光子線寬的連續(xù)變化，證實了該方法產(chǎn)生的光子糾纏態(tài)可兼容中性原子的光量子網(wǎng)絡(luò)接口。

圖1.實驗原理與實驗裝置。（a）二能級原子的彈性散射和非彈性散射過程；（b）共振熒光譜線和光學(xué)腔增益譜線；（c）光纖微腔-中性原子系統(tǒng)實驗裝置。

圖2.非彈性散射過程中的能量-時間糾纏實驗結(jié)果。（a）兩光子間的時間分辨相關(guān)性測量。（b）雙光子糾纏態(tài)的干涉曲線。

該工作首次實驗證實了中性原子共振熒光中非彈性散射過程的糾纏性質(zhì)，加深了對共振熒光過程的理解，為中性原子光量子網(wǎng)絡(luò)所需的光子糾纏源的制備提供了新思路。審稿人對該工作的創(chuàng)新性給予高度評價：“The way of creating entangled photon pairs by filtering resonance fluorescence is different from all methods used with trapped atoms or ions I know of（這種通過共振熒光濾波來創(chuàng)造糾纏光子對的方法不同于我所知道的所有基于原子或離子的方法。）”；“the detuned excitation, the measurement of the corresponding photon time order and temporal shape, the atom-compatible wavelengths and linewidths enabling the use of multiple exactly identical emitters for potential entanglement networks, and the clever and very effective spectral filtering come to my mind（該方法使用的失諧激發(fā)、光子時間順序和時域形狀的測量、能夠使多個相同發(fā)射器應(yīng)用在同一糾纏網(wǎng)絡(luò)中的與原子匹配的波長和線寬、以及巧妙而非常有效的光譜濾波方法令我印象深刻）”。

中國科學(xué)院量子信息重點實驗室的特任副研究員王健和博士后周小龍為論文的共同第一作者。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學(xué)基金委以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.053401