中國科大物理學院郭光燦院士團隊在單光子非互易傳輸的實驗研究中取得重要進展：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實現了超越磁光效應的百兆赫茲頻寬單光子非互易傳輸。該研究成果於2021年3月19日線上發表在國際知名期刊Science Advances。
實現單光子非互易傳輸的器件是量子計算和量子網絡的基本元件之一，涉及到時間反演對稱破缺和非厄米動力學等原理。簡單講非互易傳輸就是控制訊號的單向傳輸，許多實際的物理過程中都涉及了訊號的單向傳輸，比如電子在二極體中的單向傳輸。同樣，單光子訊號的非互易傳輸在量子資訊處理過程中也具有重要應用，現時是量子資訊領域中的重要課題之一。光學非互易傳輸傳統上可以通過資料的磁光效應實現，然而受强磁場的影響，這種非互易器件很難集成化、小型化，囙此無需外加磁場能够超越磁光效應的光非互易器件對於光子集成體系顯得尤為重要。儘管近些年來，研究人員陸續提出了各種無磁非互易的方案，然而實現真實單光子非互易器件仍然具有很大的挑戰。
史保森教授、丁冬生教授等人一直致力於光與原子的相互作用的研究，利用克爾非線性效應在實驗上實現了無腔的光學隔離器和環形器[Phys. Rev. Research 2，033517（2020）]，證明了利用熱原子氣室可以實現弱光下的四通道光學環形器。在此基礎上，他們開展了單光子條件下的非互易研究：利用冷原子系統產生了標記單光子，並將單光子作為資訊載體入射到熱原子隔離器，基於電磁感應透明和拉曼躍遷兩種機制實現了真實單光子的雙向非互易傳輸，隔離度為22.5+/-0.1dB，頻寬達數百兆赫茲。除此之外，他們還實現了多頻段複用的光學非互易，從而拓展了可實現非互易的訊號頻段範圍。該實驗研究利用常見的多普勒效應，具有普適性，並且由於熱原子汽室本身不涉及磁場，器件簡易，易於實現小型化、集成化，囙此該結果在實際可集成化的經典和量子資訊處理過程中具有潜在應用價值。
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果
中科院量子資訊重點實驗室博士後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、科技部重點研發計畫和安徽省引導專項的支持。
文章連結：https://advances.sciencemag.org/content/7/12/eabe8924.full
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