聂伟副教授在波导量子电动力学研究中取得进展

    近日，天津大学理学院量子交叉研究中心聂伟副教授与合作者在《Physical Review Letters》发表题为” Non-Hermitian Waveguide Cavity QED with Tunable Atomic Mirrors”的研究成果。该工作基于耦合双原子调控的一维波导光子反射，提出了非厄米原子腔理论。该研究揭示了原子腔的强耦合区域与反射阈值的关系，并发现一种暗极化激元。非厄米原子腔为调控光-物质相互作用提供了新的思路，有望在量子器件和量子计算领域产生应用。

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

    光-物质相互作用是量子光学研究的基本问题。腔量子电动力学的发展使得人们可以利用腔光场操纵单原子量子态，为量子信息处理提供了有效方法。最典型的光腔是由两个平行反射镜构成的法布里-珀罗干涉仪。比如，在光子晶体中，光子受布拉格反射的影响，形成光子晶体微腔。然而，传统的光反射镜不容易被调控，这在一定程度上制约了光腔对原子的操控能力。在一维波导中，单原子对光场的反射可以被用来构造人工的光腔[1,2], 即原子腔。理论上可以用布拉格散射提高原子腔的品质因子。所谓布拉格散射指的是在近邻原子间距为四分之一波长偶数倍的情形下，波导中的光子因原子阵列形成超辐射态而导致反射增强。在此前的工作中[3]，作者等人发现在近邻原子间距为四分之一波长的奇数倍时，即反布拉格条件下，与波导耦合的拓扑原子阵列会存在两个超辐射态，并产生对称保护的光学响应。因此，反布拉格原子阵列为光场调控提供了新的方式。

    最近发表的这项工作[4]提出了一种由两个耦合原子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。反射谱的形状变化对原子腔的性质有重要影响。由反布拉格双原子镜构成的腔具有宇称-时间反对称性。通过非厄米理论分析发现，在对称保护的参数区间，原子腔有两个简并的模式，其耗散性质不同。在原子腔中放置一个探测原子，可以研究原子腔量子电动力学现象（如图2所示）。该探测原子与两个腔场模式分别发生相干耦合和耗散耦合。研究发现，探测原子与原子腔的强耦合对应着原子镜的反射阈值。换言之，只有当原子镜的反射达到阈值时才能实现腔-原子强耦合。这表明原子镜产生的反射对原子腔内的腔场有重要影响。该简并模式的原子腔会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。这意味着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。该工作拓展了波导-腔量子电动力学领域，有助于研究非厄米光-物质相互作用，并产生新型量子器件。

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

    该工作得到国家自然科学基金的资助。该项研究是天津大学理学院量子交叉研究中心聂伟副教授与中国科学院理论物理研究所石弢研究员、清华大学集成电路学院刘玉玺教授和日本理化学研究所Franco Nori教授合作的成果，聂伟副教授为第一作者兼通讯作者。

参考文献：

[1] L. Zhou, H. Dong, Y.-X. Liu, C. P. Sun, and F. Nori, Phys. Rev. A 78, 063827 (2008).

[2] M. Mirhosseini, E. Kim, X. Zhang, A. Sipahigil, P. B. Dieterle, A. J. Keller, A. Asenjo-Garcia, D. E. Chang, and O. Painter, Nature 569, 692 (2019).

[3] W. Nie, T. Shi, F. Nori, and Y.-X. Liu, Phys. Rev. Applied 15, 044041 (2021).

[4] W. Nie, T. Shi, Y.-X. Liu, F. Nori, Phys. Rev. Lett. 131, 103602 (2023).