百兆赫茲帶寬單光子非互易傳輸實現

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中國科學技術大學郭光燦院士團隊史保森教授、丁冬生教授與合作者利用室溫下的原子系統，實現超越磁光效應的百兆赫茲帶寬單光子非互易傳輸。該成果于3月19日在線發表于《科學進展》。

簡單講，非互易傳輸就是控制信號的單向傳輸。實現單光子非互易傳輸的器件，是量子計算和量子網絡的基本元件之一。此前，光學非互易傳輸可以通過材料的磁光效應實現，然而受強磁場影響，這種非互易器件很難集成化、小型化，因此無需外加磁場能夠超越磁光效應的光學非互易器件，對于光子集成體系顯得尤為重要。近年來，研究人員陸續提出各種無磁非互易方案，然而實現真實單光子非互易器件仍具挑戰。

史保森、丁冬生等人長期致力于光與原子的相互作用研究，利用克爾非線性效應在實驗上實現了無腔的光學隔離器和環形器，證明了利用熱原子氣室可以實現弱光下的四通道光學環形器。在此基礎上，他們開展了單光子條件下的非互易研究：利用冷原子系統產生標記單光子，并將單光子作為信息載體入射到熱原子隔離器，基于電磁感應透明和拉曼躍遷兩種機制實現了真實單光子的雙向非互易傳輸，帶寬達數百兆赫茲。

他們還實現了多頻段復用的光學非互易，從而拓展了可實現非互易的信號頻段范圍。

該實驗研究利用常見的多普勒效應，具有普適性，并且由于熱原子汽室本身不涉及磁場，器件簡易，易于實現小型化、集成化，因此在實際可集成化的經典和量子信息處理過程中具有潛在應用價值。