基于可调控原子反射镜的腔量子电动力学

01 导读

近日，天津大学聂伟副教授与中国科学院理论物理研究所石弢研究员、清华大学刘玉玺教授和日本理化学研究所Franco Nori教授合作，在原子腔量子电动力学领域取得重要进展。研究人员基于耦合双原子调控的一维波导光子反射，提出了开放式原子腔理论。与传统单模光腔不同，该原子腔因宇称-时间反对称保护产生简并的双模。通过腔量子电动力学的研究，发现强耦合区域与原子镜的反射阈值存在联系。适当地调控反射镜，原子腔与探测原子能够形成一种新的物态-暗极化激元，有望用于量子信息操控。

相关研究成果以” Non-Hermitian Waveguide Cavity QED with Tunable Atomic Mirrors”为题，于2023年9月7日发表在Physical Review Letters上。

图1. (a) 由耦合双原子构造的原子腔， (b) 双原子的光反射谱， (c) 原子镜散射通道， (d) 宇称-时间反对称保护的原子腔模式

02 研究背景

光学腔是量子光学研究的核心器件，在增强光-物质相互作用、产生可观测量子效应上起着不可替代的作用。腔量子电动力学的发展使得人们得以利用腔场操纵单原子量子态，这为量子信息处理提供了有效方法。目前，光学腔在光场调控、量子网络和量子精密测量等领域都有重要的应用。由两个平行反射镜构成的法布里-珀罗腔（F-P腔）是最典型的光腔。光学镜的反射性质决定了腔内光场的特性，包括光场模式的空间分布和耗散等。探索反射镜对光腔的影响是光物理研究的基本问题。比如，由分布式布拉格镜子构成的F-P腔，光场被不同折射率且周期性排列的材料反射，形成局域的腔模。然而，传统的光学腔采用宏观的反射镜，其光学性质不容易被改变。这在一定程度上制约了光场调控的能力。近年来，基于微观量子体系的腔结构在研究新型光-物质相互作用和微纳光子器件等方面取得了很大进展。这促使人们进一步从原子尺度去研究量子腔及其光物理基础。2008年，湖南师范大学周兰及其合作者基于单原子对一维波导中的光场散射，提出利用单原子反射器构造人工的光腔[L. Zhou, H. Dong, Y.-X. Liu, C. P. Sun, and F. Nori, PRA 78, 063827 (2008)]，即原子腔。2019年，加州理工大学在超导量子电路上实现了基于单原子反射镜的原子腔，并研究了探测原子与原子腔产生的量子动力学现象[Nature 569, 692 (2019)]。然而，单原子镜产生的洛伦兹线形反射谱的共振反射率很高，这使得通过波导中的光子传输很难探测腔内光-物质相互作用。更重要的是，原子腔作为一种新型量子器件，其在光场调控和量子信息技术方面的潜力还没有被充分展示。

拓扑物质因对称保护产生对局域微扰的鲁棒性使其在凝聚态物理和量子信息领域受到广泛研究。一般而言，在光-物质相互作用中，电磁场会诱导产生非局域的相互作用，破坏拓扑系统的对称性。这导致拓扑量子物质难以将对称保护性质用于光场调控。作者等人研究了一维拓扑原子阵列与波导的耦合系统[PR Applied 15, 044041 (2021), PRL 127, 250402 (2021)]，发现当近邻原子间距为四分之一光子波长的奇数倍（即反布拉格条件）时，拓扑原子阵列依然具有对称性。这意味着，一方面可以通过光-物质相互作用调控拓扑物质，为拓扑态量子操控提供新的方法。另一方面，拓扑原子阵列提供了对称保护的光子散射通道，能够调控光场，促进拓扑物质的量子光学现象研究。由此可见，拓扑保护与光-物质相互作用之间有密切的关系。拓扑保护或许能够帮助人们进一步理解和应用量子光学理论。

03 研究创新点

最近发表的这项工作提出了一种由两个耦合原子（拓扑原子阵列的基本单元）构成的反布拉格原子镜（如图1所示）。根据双原子直接耦合的大小，该原子镜的反射谱展现为单峰或双峰结构，从而对原子腔的光学特性进行调控。研究的创新点：（一），由反布拉格双原子镜构成的腔具有宇称-时间反对称。与此前研究的宇称-时间反对称系统不同，该原子腔是通过原子之间的直接耦合产生非厄米相变。在对称保护的参数区间，原子腔有两个能级简并但耗散不同的模式。（二），探测原子与原子腔的耦合强度与原子镜的反射谱性质有关（如图2所示）。原子腔内的强耦合区域对应着原子镜的反射阈值。（三），双简并模式的原子腔产生不同于单模光腔的量子光学现象。特别是当探测原子的耗散等于原子镜的耦合强度时，腔-原子会形成暗极化激元。这使得探测原子与原子腔之间形成了无损耗的信息传输通道，可以有效地实现探测原子与原子腔的量子态转移。该原子腔理论有望应用于超导量子电路，实现波导集成的超导量子比特芯片。

图2. (a) 原子腔与探测原子耦合， (b) 腔-原子强耦合区域， (c) 反射阈值， (d) 暗极化激元

04 总结与展望

该工作拓展了波导-腔量子电动力学领域，阐明了原子腔的光-物质相互作用机制。相对于单模光学腔，简并双模结构的原子腔具有较好的可调控性和新奇的光学性质，有助于研究非传统的量子光学现象。原子腔结合了光学腔与原子系统的特点，在光场调控和量子信息等领域有广阔的应用前景。

该项研究得到国家自然科学基金的资助。天津大学为第一单位和通讯单位。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.103602