科學家實現真實單光子非互易傳輸

記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊史保森教授、丁冬生教授與南京大學夏可宇教授合作，利用室溫下的原子系統實現了超越磁光效應的百兆赫茲帶寬單光子非互易傳輸。該研究成果於2021年3月19日在線發表在國際知名期刊《科學進展》上。

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信號的單向傳輸，許多實際的物理過程中都涉及了信號的單向傳輸，比如電子在二極管中的傳輸。同樣，單光子信號的非互易傳輸在量子信息處理過程中也具有重要應用，目前是量子信息領域中的重要課題之一。光學非互易傳輸傳統上可以通過材料的磁光效應實現，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的光非互易器件對於光子集成體系顯得尤為重要。盡管近些年來，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，証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，並將單光子作為信息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，帶寬達數百兆赫茲。除此之外，他們還實現了多頻段復用的光學非互易，從而拓展了可實現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，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，因此該結果在實際可集成化的經典和量子信息處理過程中具有潛在應用價值。