张天才-李刚教授团队在手性腔量子电动力学方面取得重要进展

近日，光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室腔量子电动力学研究团队在实现单原子阵列与光学腔强耦合后又在手性腔量子电动力学（腔QED）研究方面取得重要进展。该团队与中国科学技术大学合作，在实验上实现了基于光学法布里-玻罗腔的手性腔QED和非互易的腔极化子，基于手性腔QED系统进一步实现了方向可切换的高效单光子光隔离器，同时在实验上首次观测到了光场量子统计非互易特性。该实验研究成果发表在Laser & Photonics Reviews上。[PengfeiYang, Ming Li, et al, Non-Reciprocal Cavity Polariton with Atoms Strongly Coupled to Optical Cavity, Laser Photonics Rev. 2200574 (2023)]。

手性量子光学研究手性光子和物质之间的相互作用，在微纳光子学器件的倏逝波场中光子的传输方向依赖于光子的偏振，正向和反向传播的光子（手性光子）与物质量子系统的相互作用强度不同。这种依赖于传播方向或手性的光与物质相互作用为量子调控提供了一种新方法，能够用于制备非互易的单光子器件。

手性量子光学的研究以前只局限于微纳光子学器件中，该团队将手性光与物质相互作用拓展到传统的光学法布里-玻罗腔（FP腔）的腔量子电动力学（腔QED）中，实现了手性腔QED。通过制备原子内态使其与两个偏振相互正交的圆偏振光子（这两个光子构成手性光子，图1a）之间的相互作用不同，进而获得了单光子水平的光隔离器，并在实验上实现了传输方向相反的光场的量子统计非互易。

图1：手性腔QED的实现。（a）两个偏振相互正交的圆偏振光子构成手性光子；（b）手性腔QED的实验装置示意图，其中具有手性光场的光学FP腔与内态极化的原子耦合形成手性腔QED。

该团队将多个原子与微型高精细度光学FP腔耦合（图1b），多个原子与光学腔的集体相互作用能够极大地提高系统的协同系数，获得高质量的光场非互易。强耦合的光子和原子形成“腔极化子（cavity polariton）”的准粒子，将原子内态完全极化后，原子只与手性光场中的一个发生作用，从而获得非互易的腔极化子。这种非互易的腔极化子自然地破坏了时间反转对称性，从而能够观测到非互易的真空拉比分裂光谱（手性腔QED光谱，图2a）。通过在腔外引入偏振器（PBS）和四分之一波片（QWP），水平入射的线偏振光场在光学腔处被转换成圆偏振光场，其偏振方向与光场传输方向锁定（图1b）。将此光场与手性腔QED耦合获得了隔离比超过30 dB单光子隔离器（图2b）。与该团队之前通过使用少数原子非线性双稳态在少数光子水平上获得的光学非互易[Pengfei Yang, et al, Phys. Rev. Lett. 123, 233604 (2019)]相比，这项工作基于真空诱导的量子过程，能够在单量子水平上进行（平均约0.1腔内光子数）。进一步通过调控自旋极化原子的内部自旋态，实现了该器件隔离的方向的快速切换（图2c）。借助于沿空腔传播的圆偏振光抽运场来维持原子的偏振，该装置还能够在零磁场下工作。

图2：基于手性腔QED的单光子光隔离和量子统计非互易传输。（a）手性腔QED光谱；（b）单光子隔离器隔离比随协同系数的变化；（c）光隔离器通过方向的快速切换；（d）非互易光场量子统计的实验观测。

该团队进一步利用腔极化子的克尔非线性调控极化子之间的量子干涉，实现了输入相干光场的量子过滤，获得了具有不同量子统计特性的输出光场。当从不同方向探测系统时，观察到亚泊松与超泊松（和聚束与反聚束）光子统计特性（图3d），从而在实验上观测到景辉和FrancoNori等人预言的量子统计非互易现象[Ran Huang, et al., Phys. Rev. Lett. 121, 153601 (2018)]。

利用少原子的手性腔QED平台以及实现的非互易腔极化子的可调非线性能够研究更丰富的非互易量子效应和非线性动力学。实现的新的非互易腔极化子在探索光子学和量子网络应用中的量子不可逆性、分子的手性光物理和极性子的新拓扑效应方面具有巨大的潜力。这种量子的非互易腔极化子态也能够通过声子和微波光子与电子自旋系综的耦合拓展到声子，并能够制备应用于量子网络的高效量子路由器和隔离器。

该工作由张天才教授和李刚教授带领的腔量子电动力学研究团队与中国科学技术大学邹长铃教授团队合作完成，论文的通讯作者为李刚教授、邹长铃教授和张天才教授，青年教师杨鹏飞博士和中国科学技术大学李明副研究员为论文的第一作者。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。

论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200574