近日,中國科學技術大學郭光燦院士團隊史保森教授、丁冬生教授與合作者利用室溫下的原子系統,實現超越磁光效應的百兆赫茲頻寬單光子非互易傳輸。

該成果于3月19日線上發表于《科學進展》。

非互易傳輸就是控制信號的單向傳輸,實現單光子非互易傳輸的器件,是量子計算和量子網路的基本元件之一。此前,光學非互易傳輸可通過材料的磁光效應實現,然而受強磁場影響,這種非互易器件很難整合化、小型化。因此,無需外加磁場能超越磁光效應的光學非互易器件,對於光子整合體系顯得尤為重要。

近年來,研究人員陸續提出各種無磁非互易方案,然而,實現真實單光子非互易器件仍具挑戰。

史保森教授、丁冬生教授等人長期致力於光與原子的相互作用研究,團隊在實驗上實現了無腔的光學隔離器和環形器,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:利用冷原子系統産生標記單光子,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,實現真實單光子的雙向非互易傳輸,頻寬達數百兆赫茲。

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範圍。

據介紹,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、整合化。

此外,成果在實際可整合化的經典和量子資訊處理過程中具有潛在應用價值。

圖為單光子非互易實驗結果/中國科大供圖

原子熱運動誘導的光學非互易原理示意圖和實驗裝置圖/中國科大供圖

(中青報·中青網 王海涵 王磊 通訊員 桂運安)