中国科大实现真实单光子非互易传输

2021年03月22日

中国科大实现真实单光子非互易传输

我校郭光灿院士团队在单光子非互易传输的实验研究中取得重要进展：该团队史保森教授、丁冬生教授与南京大学夏可宇教授和日本理化所的Franco Nori教授合作，利用室温下的原子系统实现了超越磁光效应的百兆赫兹带宽单光子非互易传输。该研究成果于2021年3月19日在线发表在国际知名期刊Science Advances。

实现单光子非互易传输的器件是量子计算和量子网络的基本元件之一，涉及到时间反演对称破缺和非厄米动力学等原理。简单讲非互易传输就是控制信号的单向传输，许多实际的物理过程中都涉及了信号的单向传输，比如电子在二极管中的单向传输。同样，单光子信号的非互易传输在量子信息处理过程中也具有重要应用，目前是量子信息领域中的重要课题之一。光学非互易传输传统上可以通过材料的磁光效应实现，然而受强磁场的影响，这种非互易器件很难集成化、小型化，因此无需外加磁场能够超越磁光效应的光非互易器件对于光子集成体系显得尤为重要。尽管近些年来，研究人员陆续提出了各种无磁非互易的方案，然而实现真实单光子非互易器件仍然具有很大的挑战。

史保森教授、丁冬生教授等人一直致力于光与原子的相互作用的研究，利用克尔非线性效应在实验上实现了无腔的光学隔离器和环形器[Phys. Rev. Research 2, 033517(2020)]，证明了利用热原子气室可以实现弱光下的四通道光学环形器。在此基础上，他们开展了单光子条件下的非互易研究：利用冷原子系统产生了标记单光子，并将单光子作为信息载体入射到热原子隔离器，基于电磁感应透明和拉曼跃迁两种机制实现了真实单光子的双向非互易传输，隔离度为22.5+/-0.1dB，带宽达数百兆赫兹。除此之外，他们还实现了多频段复用的光学非互易，从而拓展了可实现非互易的信号频段范围。该实验研究利用常见的多普勒效应，具有普适性，并且由于热原子汽室本身不涉及磁场，器件简易，易于实现小型化、集成化，因此该结果在实际可集成化的经典和量子信息处理过程中具有潜在应用价值。

图1.原子热运动诱导的光学非互易原理示意图和实验装置图

图2.单光子非互易实验结果

中科院量子信息重点实验室博士后董明新为论文第一作者，通讯作者为我校史保森教授、丁冬生教授和南京大学夏可宇教授。这项工作得到了国家自然科学基金委、中科院、科技部重点研发计划和安徽省引导专项的支持。

文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/12/eabe8924.full

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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利用室温下的原子系统实现了超越磁光效应的百兆赫兹带宽单光子非互易传输