近日，華中科技大學(xué)國(guó)家精密重力測(cè)量科學(xué)中心、物理學(xué)院引力中心李霖教授團(tuán)隊(duì)在里德堡原子光量子調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。課題組探索了量子光學(xué)中的一個(gè)基礎(chǔ)性問題：在從未相遇(空間傳播路徑不重疊)的光子之間，能否實(shí)現(xiàn)有效且可控的相互作用?

團(tuán)隊(duì)采用結(jié)構(gòu)光場(chǎng)與里德堡原子相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了一種“非局域”的光子操控技術(shù)：用一個(gè)單光子有效調(diào)控了在分離路徑上傳輸?shù)纳习賯€(gè)光子，構(gòu)建了增益高達(dá)151的單光子晶體管。該工作以“Nonlocal switch and transistor between single photons”為題，發(fā)表于Physical Review Letters。

近年來，里德堡原子領(lǐng)域發(fā)展迅速，為調(diào)控光子相互作用及構(gòu)建可擴(kuò)展的量子信息處理提供了新的可能。然而，目前的里德堡光量子實(shí)驗(yàn)中，光子空間模式的重疊會(huì)引發(fā)顯著的多光子自阻塞效應(yīng)，嚴(yán)重限制了可同時(shí)操控的光子數(shù)量與器件性能。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，博士后廖忍等人提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“非局域”方案，利用環(huán)狀結(jié)構(gòu)光場(chǎng)與里德堡原子耦合，構(gòu)建了“中心-環(huán)繞”的光子構(gòu)型：門光子位于中心，而被操控的大量目標(biāo)光子則在環(huán)繞的獨(dú)立路徑上傳輸，二者在空間上自然分離。

非局域單光子晶體管實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案及結(jié)果

該方法有效緩解了傳統(tǒng)方案中因光子空間密集分布導(dǎo)致的自阻塞效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)門光子能夠有效調(diào)控上百個(gè)在分離路徑上傳輸?shù)哪繕?biāo)光子，由此實(shí)現(xiàn)的單光子晶體管增益高達(dá)151，為相同條件下傳統(tǒng)方案的三倍，證實(shí)了非局域路徑操控的有效性。

此項(xiàng)工作的創(chuàng)新之處在于，利用結(jié)構(gòu)光場(chǎng)和里德堡原子耦合實(shí)現(xiàn)光子—光子相互作用的精細(xì)調(diào)控，突破了傳統(tǒng)方案中光子自阻塞與互阻塞難以兼顧的限制。這一結(jié)果不僅為構(gòu)建高性能、可擴(kuò)展的光量子器件提供了新思路，也有望應(yīng)用于基于里德堡原子的并行量子信息處理以及非破壞量子態(tài)探測(cè)等前沿研究方向。

華中科技大學(xué)為該工作第一完成單位，博士后廖忍、博士生宋澤瑞和博士后葉根生為該論文的共同第一作者，李霖教授與葉根生為通訊作者。主要合作者還包括博士生余建昊以及北京量子信息科學(xué)研究院常越研究員。

審核編輯 黃宇