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聚焦量子领域:中国科大实现真实单光子非互易传输

olivia chan

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。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,但目前还未能在室温下实现这一技术。

日前,中国科学技术大学郭光灿院士团队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。

团队提出并实验证明了两种制度,利用电磁诱导透明效应(EIT)或拉曼效应,对温原子进行全光隔离,并实现了真实单光子的双向非互易传输,隔离度为22.52±0.10 dB,插入损耗仅为约1.95 dB,带宽高达数百兆赫。在相同的实验设置中实现的拉曼机制能够实现具有相反隔离方向的相干光场的高隔离度和低插入损耗。室温下单光子隔离和相干光隔离的这些实现为高速经典和量子信息处理的简化重构带来了希望。

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综上所述,该研究通过实验证明了室温下单光子(在EIT体系中)和经典场(在拉曼体系中)的无磁非互易传输。在前者,单光子的量子性质在前进(后退)方向上被保持(打破)。拉曼体系能够实现经典场的高性能隔离。所展示的无磁和可逆的光学隔离在室温下提供了一个简单的构件,用于可重构的量子网络和嵌入热原子的空心光波导或光纤的不可逆的光学信息处理。

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。

论文链接:

https://doi.org/10.1126/sciadv.abe8924


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