重要進(jìn)展！中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)真實(shí)單光子非互易傳輸

來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，中國(guó)科大郭光燦院士團(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。

實(shí)現(xiàn)單光子非互易傳輸?shù)钠骷橇孔佑?jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的基本元件之一，這涉及到時(shí)間反演對(duì)稱破缺和非厄米動(dòng)力學(xué)等原理。

光學(xué)非互易傳輸傳統(tǒng)上可以通過材料的磁光效應(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。

據(jù)了解，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，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)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(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，研究團(tuán)隊(duì)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

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

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，通訊作者為我校史保森教授、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。