12月4日，美国物理学会主办的学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了我校光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室张天才教授研究团队在腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics, CQED）方面的重要研究进展：利用强耦合CQED系统实现了几个光子水平的光学非互易传输。论文题目为“Realization of nonlinear optical nonreciprocity on a few-photon level based on atoms strongly coupled to an asymmetric cavity” [Phys. Rev. Lett. 123.233604 (2019)]。

单向性传输或者隔离是许多光学系统的基本功能。无磁光学非互易传输可以为光信息处理等光子学研究和应用提供具有单向传输特性的光隔离器件，近年来受到广泛关注。张天才教授团队多年来一直从事腔量子电动力学方面的研究。他们建立了一套单个原子与光学微腔强耦合相互作用的实验系统，通过光学冷却和操控原子技术，把冷却到微开量级（-273.14℃左右）的铯原子控制在微光学腔内。该微光学腔由两片相距335微米、反射率高达99.990%和99.999%的“超镜”（super-mirror）组成。单个光子被置于腔内，在“死亡”(被吸收、散射或者逃逸)之前能够来回反射六万次左右，与囚禁在腔中的原子发生强耦合相互作用。单个光子在单个原子与腔之间相互交换，每秒钟可达五百五十万次。该强耦合系统对原子和光子极度敏感，能感受到平均0.6和0.1个原子和光子的变化。利用该系统的强烈非线性和非对称腔的特点，实验上获得了低至3.8个腔内平均光子的光学非互易传输（Optical Non-Reciprocity，ONR），对应的入射光功率达到皮瓦（一万亿分之一瓦）量级。这种在几个光子水平下的光学非互易传输，其工作窗口可以通过控制原子的数目进行调节，实验上获得了最高达30dB的阻塞率。与传统基于非线性光学的非互易传输系统相比，这是目前国际上具有最小工作功率和最大阻塞率的非线性ONR系统。该ONR机制可以应用到通过基于芯片的回音壁模式腔或光纤腔，实现基于芯片的超低功耗光二极管。基于强耦合腔量子电动力学系统完成的该实验，为实现极弱光的无磁非线性光学非互易传输开辟了新的途径。

图1，强耦合腔量子电动力学实验装置图（左）和基于非对称腔中原子非线性的光学非互易传输方案示意图。

图2，实验演示的光场传输方向不同时的光学双稳现象（左），其中阴影部分为非线性光学非互易窗口；不同的原子数所对应的正向传输光的透射效率和反向光的阻塞效率（右）。

该论文的第一作者为我校光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室博士研究生杨鹏飞，通讯作者为张天才教授和李刚教授。合作者包括该研究团队的博士生贺海、博士生李少康、硕士生韩星和张鹏飞副教授。理论部分的合作者为井冈山大学的夏秀文副教授，中国人民大学张芃教授、同济大学的许静平教授和羊亚平教授。

这项工作得到国家重点研发计划课题、国家自然科学重点项目和面上项目、量子光学与光量子器件国家重点实验室(山西大学)和省部共建极端光学协同创新中心(山西大学)的支持。

论文链接http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.233604

更多阅读：高克林，张天才, 单个量子态的操纵和测量:2012年诺贝尔物理学奖评述，物理，Vol.41, No.12, 775(2012)