南京大学夏可宇教授课题组在单光子产生领域取得进展

撰稿|由课题组供稿

南京大学夏可宇教授课题组，2022年7月29日在物理学权威期刊《Physical Review Research》以“Photon blockade and single-photon generation with multiple quantum emitters”为题发表了多原子单光子产生的研究成果。

单光子源有广泛的应用，可用于安全量子加密，量子网络，量子计算等诸多新型量子技术。可以说，单光子源的产生和调控是光量子信息技术的核心。截至目前，已经有了许多成熟的单光子产生方案，如自发参量下转换产生预报单光子，囚禁单个量子发射器,以及半导体集成单光子源等。

在光学领域，囚禁单个原子，利用光子阻塞效应产生单光子有如下难点。首先，囚禁单原子在技术上是困难的，对实验条件十分苛刻。其次，多原子的引入常常被认为是对单光子产生有害，因为会有多激发效应的出现。所以，尽管多原子系综是实现很多量子器件的理想平台，例如量子中继器，量子存储等。利用多原子系综诱导光子阻塞效应，产生高纯度，高产率单光子仍然是一件十分困难的事情。

该项成果创新性地提出一种利用多个原子产生光子阻塞效应和单光子的理论方案。如图1所示，系统由两个光学腔和一团二能级原子耦合而成。其中灰色的腔为辅助腔，黑色的腔为收集腔。辅助腔与二能级原子的共振频率有一个大的失谐。这一大的失谐使得原子与原子通过辅助腔的中介形成了一个有效的偶极-偶极相互作用。此时，这一辅助腔-二能级原子系统可以等效看为单个具有非线性能级的“超级原子”。当用一束光激发这一超级原子基态时，由于光子阻塞效应，多光子态无法被激发，因此出射的光是单光子。收集腔的作用是保证单光子的收集效率和定向性。

图1 利用多个原子产生单光子。(a)多个全同二能级原子和辅助腔（灰色）及收集腔（黑色）耦合，入射光作用在原子上； (b)等效“超级原子”能级示意图

为了检验光子阻塞效应的效果，图2理论计算了系统二阶关联函数g²(0)和透射随辅助腔和收集腔的耦合强度（分别用g，h’表示，见图2（a, b））以及入射光失谐（见图2（c, d））的变化。从图中可以得到三个主要信息，一是当辅助腔（收集腔）与原子的耦合强度越大（越小）时，光子阻塞效应越好。二是当原子与腔共振时光子阻塞效果最好。三是尽管阻塞效果随原子个数的增多而变差，但仍然具有一定的鲁棒性，在数十个原子的范围内仍是可用的。

图2 相干光入射，二阶关联函数g²(0)和透射T随耦合强度（a,b）以及失谐（c,d）的变化

为了探究该系统的单光子产率和纯度，研究人员将入射光改为脉冲光。图3理论计算了脉冲情况下系统的单光子纯度和产率。可以发现，入射脉冲中心频率和“超级原子”共振时单光子纯度最高（图3（a））。利用量子迹方法(quantum trajectory method)，研究人员模拟了单光子HBT实验，结果如图3（b）所示。此时单光子产生的纯度大于90%。理论研究表明，利用腔真空场可以辅助产生原子间的相互作用，从而即使囚禁几个原子，也可以获得很高产率和纯度的单光子。当原子数小于10个时，单光子纯度和产率均高于90%。 但随着原子数继续增多，单光子产率和纯度都在下降（图3（c, d））。尽管如此，相对于囚禁单个原子，实验要求有很大降低。

图3 脉冲光入射系统。（a,c）二阶关联函数g²(0)随失谐和原子数的变化; （b）量子迹方法模拟单光子HBT实验; （d）单光子产率P1，P2随原子数的变化。

南京大学现代工程与应用科学学院博士生陈明远为论文的第一作者，夏可宇教授为通讯作者，南京大学唐江山、唐磊及吴浩东同学对本工作做出了重要贡献。该工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委、江苏省“双创人才”和“双创团队”计划及南京大学卓越研究计划项目的支持。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevResearch.4.033083