现代工学院夏可宇教授课题组与中国科技大学合作 实现真实单光子非互易传输

发布者:袁敏敏发布时间:2021-03-20浏览次数:518

现代工学院夏可宇教授课题组与中国科技大学、日本理化学所合作在单光子非互易传输实验研究中取得重要进展:利用室温下的原子蒸汽室实现了超越磁光效应的百兆赫兹带宽真实单光子非互易传输。

简单来说非互易传输就是控制信号的单向传输。类似于电子二极管在电子电路中的重要作用,光学信号的非互易传输在经典和量子光信息处理中也具有重要应用,比如用于光学传感和量子网络。实现低损耗弱光甚至单光子非互易传输一直是现代光学研究的重要课题之一。光学非互易传输传统上可以通过材料的磁光效应实现,然而受强磁场的影响,这种非互易器件很难集成化,且对磁场敏感场合不适用。因此,实现超越磁光效应的无磁光非互易器件对于光子集成体系显得尤为重要。尽管近些年来,研究人员陆续提出了各种无磁非互易的方案,然而实现真实单光子非互易器件仍然具有很大的挑战。

夏可宇教授课题组一直致力于手性量子光学和室温下无磁光学非互易器件的研究。他们提出用碱金属原子手性量子态与手性光波导和手性光学谐振器强耦合实现无磁单光子二极管和环形器[Phys. Rev. A 90, 043802(2014)],并且光非互易传输宏观行为可以用原子量子态调控。理论被维也纳量子科技中心实验演示。课题组研究发现光子芯片上横向尺寸小于光波长的环形光学谐振器表面有很强的光学手性。同时提出用光学斯达克效应在半导体量子点或者二维材料谷态中诱导手性光学跃迁。将这种可集成的手性光学微腔与手性量子点结合可以在光量子芯片上实现单光子隔离[Phys. Rev. A 99, 043833(2019)]。夏可宇教授小组进一步与国际合作者提出通过量子调控人工构建手性光学交叉克尔非线性可以突破非线性光学动态互易限制实现无磁光隔离器和环形器[Phys. Rev. Lett. 121, 203602(2018)]。该理论方案被中国科技大学在实验上实现[Phys. Rev. Research 2, 033517],证明了利用热原子气室可以很容易地获得手性交叉克尔非线性从而实现弱光下的四通道光学环形器。

1. 原子热运动诱导的光学非互易原理示意图和实验装置图

2. 单光子非互易实验结果

在此基础上,夏可宇教授与史保森教授等人合作开展了真实单光子非互易传输实验研究:他们利用施加在铷原子气室上的单向控制光和原子热运动导致的多普勒效应诱导了原子内手性电磁感应透明,实现了自发参量下转换产生的预报真单光子高隔离度低插入损耗非互易传输,而且单光子在透射方向很好地保持了其量子特性。该真单光子隔离工作无需外加磁场,取得了超越磁光效应的量子光隔离。该单光子隔离利用常见的多普勒效应,具有普适性,并且由于热原子汽室本身不涉及磁场,器件简易,易于集成,因此该结果在实际可集成的经典和量子信息处理过程中具有潜在应用价值。

该研究成果由现代工学院夏可宇教授与中国科技大学郭光灿院士团队和日本理化学所Franco Nori教授合作完成,以“All-optical reversible single-photon isolation at room temperature为题于2021319日在线发表在国际知名期刊《科学•进展》(Science Advances)上。中科院量子信息重点实验室博士后董明新为论文第一作者,夏可宇教授、中国科技大学丁冬生教授和史保森教授共同为通信作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划项目和江苏省“双创人才”计划的支持。


关键词:手性量子光学,光学非互易,单光子隔离

文章链接:

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.90.043802

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.99.043833

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.203602

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.033517

https://advances.sciencemag.org/content/7/12/eabe8924

夏可宇教授课题组 供稿