恒元物理学讲座（第090期）：无磁场单光子隔离

讲座内容：集成光非互易传输比如光子隔离在集成光学和量子光学中有重要应用，但也一直是一个挑战性难题。传统光非互易器件是通过块体磁光材料外加磁场来实现，或者利用光学非线性材料或对材料施加时变调控。这些传统方法可以用于隔离经典光。由于单光子电磁场太弱，这些方法往往失效。光——物质量子相互作用为调控光子传播提供了有力手段。我们基于手性腔和波导量子电动力学原理提出了两个单光子隔离器方案和一个单光子回旋器方案[1]。我们利用一个V型原子与手性光学腔和光波导耦合。手性腔和波导中，光子偏振（即自旋）与光子传播方向有关。利用偏振选择特性，原子与相向传播的光子有不同耦合，构成手性量子光学系统，打破时间反演对称，实现光子非互易传输。在没有外加磁场作用下可以隔离单光子反射。将原子制备在不同初始量子态，我们还可以反转器件光非互易行为。如果原子制备在量子纠缠态，这种光非互易特性也会纠缠。我们的单光子隔离器和回旋器方案已经被著名维也纳量子科技中心Arno Raushenbeutel教授小组实验演示[2,3]。他们的工作多次被媒体报道。我们的单光子回旋器也被认为是两个仅有的方案之一[4]。

[1] Keyu Xia et al., “Reversible nonmagneticsingle-photon isolation using unbalanced quantum coupling”, Phys. Rev. A 90, 043802(2014).

[2] C. Sayrin et al., “Nanophotonic Optical IsolatorControlled by the Internal State of Cold Atoms”, Phys. Rev. X 5, 041036 (2015).

[3] Michael Scheucher et al, “Quantum optical circulatorcontrolled by a single chirally coupled atom”, Science 354, 1577 (2016).

[4] Peter Lodahl et al., “Chiral quantum optics” Nature(London), 541, 473 (2017).