重要進展！中國科大實現(xiàn)真實單光子非互易傳輸

來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊在單光子非互易傳輸?shù)膶嶒炑芯恐腥〉弥匾M展，該團隊史保森教授、丁冬生教授與南京大學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。

實現(xiàn)單光子非互易傳輸?shù)钠骷橇孔佑嬎愫土孔泳W(wǎng)絡(luò)的基本元件之一，這涉及到時間反演對稱破缺和非厄米動力學等原理。

光學非互易傳輸傳統(tǒng)上可以通過材料的磁光效應(yīng)實現(xiàn)，然而受強磁場的影響，這種非互易器件很難集成化、小型化，因此無需外加磁場能夠超越磁光效應(yīng)的光非互易器件對于光子集成體系顯得尤為重要。

據(jù)了解，盡管近些年來，研究人員陸續(xù)提出了各種無磁非互易的方案，然而實現(xiàn)真實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)在實驗上實現(xiàn)了無腔的光學隔離器和環(huán)形器，證明了利用熱原子氣室可以實現(xiàn)弱光下的四通道光學環(huán)形器。

在此基礎(chǔ)之上，研究人員開展了單光子條件下的非互易研究，即利用冷原子系統(tǒng)產(chǎn)生了標記單光子，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制實現(xiàn)了真實單光子的雙向非互易傳輸，隔離度為22.5+/-0.1dB，帶寬達數(shù)百兆赫茲。

除此之外，研究團隊還實現(xiàn)了多頻段復(fù)用的光學非互易，從而拓展了可實現(xiàn)非互易的信號頻段范圍。該實驗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，器件簡易，易于實現(xiàn)小型化、集成化，因此該結(jié)果在實際可集成化的經(jīng)典和量子信息處理過程中具有潛在應(yīng)用價值。

圖1. 原子熱運動誘導的光學非互易原理示意圖和實驗裝置圖

圖2. 單光子非互易實驗結(jié)果

該研究成果于2021年3月19日在國際知名期刊 Science Advance 上發(fā)表。

中科院量子信息重點實驗室博士后董明新為論文第一作者，通訊作者為我校史保森教授、丁冬生教授和南京大學夏可宇教授。這項工作得到了國家自然科學基金委、中科院、科技部重點研發(fā)計劃和安徽省引導專項的支持。