12月4日，美國物理學會主辦的學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發表了山西大學光電研究所、量子光學與光量子器件國家重點實驗室張天才教授研究團隊在腔量子電動力學（Cavity Quantum Electrodynamics, CQED）方麵的重要研究進展：利用強耦合CQED係統實現了幾個光子水平的光學非互易傳輸。論文題目為“Realization of nonlinear optical nonreciprocity on a few-photon level based on atoms strongly coupled to an asymmetric cavity” [Phys. Rev. Lett. 123.233604 (2019)]。

　　單向性傳輸或者隔離是許多光學係統的基本功能。無磁光學非互易傳輸可以為光信息處理等光子學研究和應用提供具有單向傳輸特性的光隔離器件，近年來受到廣泛關注。張天才教授團隊多年來一直從事腔量子電動力學方麵的研究。他們建立了一套單個原子與光學微腔強耦合相互作用的實驗係統，通過光學冷卻和操控原子技術，把冷卻到微開量級（-273.14℃左右）的銫原子控製在微光學腔內。該微光學腔由兩片相距335微米、反射率高達99.990%和99.999%的“超鏡”（super-mirror）組成。單個光子被置於腔內，在“死亡”(被吸收、散射或者逃逸)之前能夠來回反射六萬次左右，與囚禁在腔中的原子發生強耦合相互作用。單個光子在單個原子與腔之間相互交換，每秒鍾可達五百五十萬次。該強耦合係統對原子和光子極度敏感，能感受到平均0.6和0.1個原子和光子的變化。利用該係統的強烈非線性和非對稱腔的特點，實驗上獲得了低至3.8個腔內平均光子的光學非互易傳輸（Optical Non-Reciprocity，ONR），對應的入射光功率達到皮瓦（一萬億分之一瓦）量級。這種在幾個光子水平下的光學非互易傳輸，其工作窗口可以通過控製原子的數目進行調節，實驗上獲得了最高達30dB的阻塞率。與傳統基於非線性光學的非互易傳輸係統相比，這是目前國際上具有最小工作功率和最大阻塞率的非線性ONR係統。該ONR機製可以應用到通過基於芯片的回音壁模式腔或光纖腔，實現基於芯片的超低功耗光二極管。基於強耦合腔量子電動力學係統完成的該實驗，為實現極弱光的無磁非線性光學非互易傳輸開辟了新的途徑。

圖1，強耦合腔量子電動力學實驗裝置圖（左）和基於非對稱腔中原子非線性的光學非互易傳輸方案示意圖。

圖2，實驗演示的光場傳輸方向不同時的光學雙穩現象（左），其中陰影部分為非線性光學非互易窗口；不同的原子數所對應的正向傳輸光的透射效率和反向光的阻塞效率（右）。

　　該論文的第一作者為山西大學光電研究所、量子光學與光量子器件國家重點實驗室博士研究生楊鵬飛，通訊作者為張天才教授和李剛教授。合作者包括該研究團隊的博士生賀海、博士生李少康、碩士生韓星和張鵬飛副教授。理論部分的合作者為井岡山大學的夏秀文副教授，中國人民大學張芃教授、同濟大學的許靜平教授和羊亞平教授。

　　這項工作得到國家重點研發計劃課題、國家自然科學重點項目和麵上項目、量子光學與光量子器件國家重點實驗室(山西大學)和省部共建極端光學協同創新中心(山西大學)的支持。

　　論文鏈接：http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.233604

　　更多閱讀：高克林，張天才, 單個量子態的操縱和測量:2012年諾貝爾物理學獎評述，物理，Vol.41, No.12, 775(2012)

（內容來源：山西大學）