前沿进展| 波导光子激发可用于量子存储的光子局域态

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，上海交通大学物理与天文学院袁璐琦课题组、陈险峰课题组与上海大学理学院物理系李征鸿课题组合作，发现在巨原子与经动态调制的谐振腔阵列耦合的系统中，可以利用单光子脉冲在耦合点附近的谐振腔中激发局域光子-激发原子束缚态。
研究成果以“Bound state in a giant atom-modulated resonators system”为题于2022年7月7日在线发表在npj Quantum Information上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

在原子与波导耦合系统中，研究光与原子相互作用、实现光子的灵活操控，在量子信息处理领域中展现出潜在的应用前景。不同于连续的波导，在耦合谐振腔阵列所构造的类波导结构中，可以通过在拥有不同谐振频率的谐振腔之间引入动态调制去进一步操控光子在空间分布以及频域的传输特性。

近年来，随着片上量子技术的不断发展，对原子与波导耦合系统的研究被推广到了与波导有多个耦合点的人工巨原子系统。由于多通道量子干涉效应的引入，在巨原子与波导耦合系统中研究波导光子与巨原子的相互作用和巨原子介导的光子与光子的相互作用，为探索新颖的光子操控方案提供了可能。

03 研究创新点

该研究团队提出了二能级人工巨原子与一维动态调制的谐振腔波导中间三个谐振腔实现耦合相互作用的理论模型，并在腔与腔的连接处引入谐振的动态调制源（图1）。在这里，每一个谐振腔所支持的共振频率线性增加。从波导的最左侧输入高斯形状的波包沿着波导传输，并研究其中光子在系统中的传输特性。

图1 二能级巨原子与动态调制的谐振腔波导相互作用示意图

研究发现，在特定的动态调制参数选择下，入射光子与巨原子相互作用后，部分光子被局域在中间三个谐振腔附近，同时被激发的巨原子表现出受抑制的辐射特性[图2（b）]；而当动态调制远离该特定参数时，则没有这样的光子束缚态的现象[图2（a）]。

图2 不同谐振腔中光子概率分布和原子激发概率随时间的演化

为了深入研究光子束缚态的激发原理，研究团队进一步在动量空间中提出了模式分离近似的解析方法。经过解析分析，发现这一效应正是源于特殊设计的谐振腔阵列——动态调制带来了不同谐振频率之间的耦合。尽管脉冲在传输过程中对应的是能带结构中群速度较大的波包，但是当脉冲通过谐振腔和巨原子相互作用时，其激发出的原子-光场束缚态中的光场的群速度为零，从而光场显示出局域化。

此外，研究团队发现图1的实空间模型所对应的哈密尔顿量也可以被延伸至合成频率维度中的人工晶格结构与二能级原子相互作用的问题。该问题利用了在谐振环中通过电光调制去耦合环内光子的谐振频率模式，从而构建一维合成频率维度中的类波导结构。而当该经调制的谐振环与一个二能级原子耦合时，该原子即与不同频率模式有着共振或失谐的相互作用通道，即在频率轴上构建了一个巨原子与一维人工晶格结构耦合的等效系统（图3）。由于模型在哈密尔顿量上的相似性，之前所研究的实空间光子传输效应也能被应用于频率维度上光子频率转换的特性。

图3 等效巨原子与一维合成频率波导相互作用示意图

04 总结与展望

该工作探索了巨原子与经动态调制的谐振腔阵列耦合的系统中研究了光子传输问题，发现了在特定参数条件下利用传输光子去激发光子束缚态的可能性。上海交通大学博士生肖瀚和王珞珈助理研究员为本论文的共同第一作者，袁璐琦特别研究员与上海大学李征鸿副教授为共同通讯作者，合作者还包括陈险峰教授。该工作得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、上海市科技重大专项、上海市自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41534-022-00591-7

文本来源：课题组供稿

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编辑 | 金梦菲菲

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