光-原子虚拟分束器：存储光子与飞行光子的干涉学术资讯

来源：中国激光

随着量子光学与精密测量的研究发展，光学的两个分支—量子光学与原子光学正逐步走向相互交叉与融合。在这样的研究融合中，光与原子的相互作用构成的量子界面，已然成为推动量子技术和精密测量未来发展的研究基础。通过实现光-原子的量子耦合与操控，根据不同的量子技术应用需求，可构造不同的光-原子相互作用的物理形式。其中，分束器类型的相互作用非常普遍，且是在量子干涉测量等方面具有重要应用的一个类别。

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张卫平教授领导的上海交通大学与华东师范大学联合研究团队与南方科技大学陈洁菲教授、中国科技大学邹长玲研究员合作，利用冷原子系综与光构成的量子界面，构造了一种光-原子虚拟分束器，为基于量子干涉的精密测量提供了一种全新的光-原子量子耦合技术。

在原子中，光的量子态通过驱动光场的耦合可转换为原子的内态相干激发——即原子自旋波，从而有效存储在原子中。这种光和原子的相干转换是可逆的，即驱动光场再开启时，原子自旋波又可转换为光信号而重新被释放出来。在量子信息研究开拓中，一直以来，科学家们的目光只关注怎样利用原子来有效地存储光量子信息，而没有从物理基础本质来深入研究“存储的光子”与“飞行光子”之间的不可区分性与关联性。

物理上，信号在原子中的存储与读取过程中，原子可被视作一个虚拟分束器，即在一个光脉冲或者在原子自旋波作为输入模式入射后，可同时输出透射光脉冲及在原子中制备了自旋波。在远失谐的情况下，即驱动光场与入射光场频率与原子跃迁频率相差甚大时，这个虚拟的分束器是一个标准的厄米量子系统，具有无损耗分束器特征，光与原子自旋波之间的转换是完美相干的，遵从幺正量子变换。但当驱动光场与原子跃迁频率相近时，由于原子自发辐射引起非相干损耗，这时光与原子量子界面不再是一个厄米量子系统。光与原子自旋波之间的转换展现出与标准厄米型量子系统不同的特征与现象。

研究人员通过理论与实验紧密结合，利用磁光阱中制备的冷原子系综（如图1所示），在光与原子量子界面中，构建了一个非厄米型的光-原子虚拟分束器。通过调控非厄米的分束过程，观测到了行进中的光波与定域的原子自旋波之间的直接干涉，并展示了由此种分束器构成的干涉仪给出的令人惊奇的不同输出端同相的干涉图案。这种干涉是“存储光子”—原子自旋波，与飞行光子之间通过原子作为媒介的相干量子耦合的结果。

图1 （a）磁光阱冷原子与光界面的原理图；（b）存储光子与飞行光子在磁子-光子分束器(MPBS)中的混合合束的原理图；（c）光与原子自旋波干涉后的输出光强与干涉相位的关系图；（d）在非厄米分束器中不同的额外相位下，光场输出与原子自旋波输出的关系图。

此项研究不仅刷新了量子光学与原子光学现有的内容，而且为基于光与原子量子界面的新兴量子技术与量子精密测量研究开拓了新的空间。

该项成果以“Non-Hermitian Magnon-Photon interference in an Atomic Ensemble ”为题，于2019年6月发表在Physical Review Letters [122, 253602 (2019)]上发表。该成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划，以及上海市量子信息技术重大专项等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.253602

来源：optics1964 中国激光

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