近日，南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院副教授陳潔菲課題組在探索新型原子-光非厄米界面研究中取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Quantum Interference between Photons and Single Quanta of Stored Atomic Coherence”為題發(fā)表在國(guó)際物理頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

物理系統(tǒng)的厄米性可以通過(guò)增益或者耗散的引入而改變，開(kāi)放系統(tǒng)與環(huán)境熱庫(kù)之間的能量交換可讓這類(lèi)光學(xué)介質(zhì)系統(tǒng)展示出奇特的光學(xué)特性。然而，由于增益或耗散被認(rèn)為對(duì)量子態(tài)有害，一般認(rèn)為非厄米物理只局限在經(jīng)典光學(xué)范疇。最近，超材料等人工光學(xué)系統(tǒng)中形成的非厄米分束元件，通過(guò)量子干涉展現(xiàn)人工元件對(duì)光子這類(lèi)玻色子聚束行為的操控。當(dāng)兩個(gè)玻色子分別同時(shí)經(jīng)過(guò)一個(gè)半透半反的分束器兩端并發(fā)生雙粒子量子干涉后，玻色子傾向于選擇同一個(gè)輸出端口而表現(xiàn)出聚束效應(yīng)；而費(fèi)米子則表現(xiàn)出反聚束效應(yīng)，傾向于各自選擇一個(gè)輸出端口。在這些量子干涉實(shí)驗(yàn)演示中，研究人員利用的都是相同類(lèi)型的玻色子。

另一方面，原子-光量子態(tài)的高效轉(zhuǎn)換是光學(xué)量子存儲(chǔ)的核心，因此原子-光界面的探索在光學(xué)量子存儲(chǔ)、量子網(wǎng)絡(luò)等方面具有重要的應(yīng)用前景。存儲(chǔ)在原子系綜中的“光子”以原子相干集體激發(fā)的形式存在，且能等效為一種準(zhǔn)粒子激發(fā)——“磁子”(magnon)。自由飛行的光子與存儲(chǔ)起來(lái)的“光子”都是玻色子，飛行的光子以光速在自由空間飛行，而“磁子”則局限在原子系綜中且能相干地被讀出為飛行的光子。氣態(tài)原子系綜的外層電子能級(jí)豐富，其與光場(chǎng)之間的相互耦合形成的光-原子界面能夠用于探索非厄米界面。在此研究中，研究人員首次演示了光子和磁子這兩種不同類(lèi)玻色子的量子干涉，其聚束行為受非厄米界面的調(diào)控。

原子-光界面的線性分束模型及主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a)?飛行光子與存儲(chǔ)光子的分束元件模型；(b) Hong-Ou-Mandel干涉對(duì)比度與單光子脈沖光子數(shù)關(guān)系；(c)?干涉對(duì)比度與磁子的存儲(chǔ)時(shí)間關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先利用一束遠(yuǎn)失諧的泵浦激光場(chǎng)將基態(tài)原子激發(fā)到虛能級(jí)并進(jìn)而發(fā)生拉曼激發(fā)過(guò)程，結(jié)果其中一個(gè)原子被泵浦到另外一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)而形成一個(gè)單磁子，與此同時(shí)釋放出一個(gè)光子，通過(guò)探測(cè)這個(gè)光子便能知道是否產(chǎn)生了單個(gè)磁子。在光量子存儲(chǔ)中，飛行的光子可以相干地轉(zhuǎn)換為相干集體激發(fā)形式。若一個(gè)單光子可以被轉(zhuǎn)換為一個(gè)磁子并存儲(chǔ)下來(lái)，且可以按需讀出與原來(lái)相同模式的飛行光子，原子-光界面就構(gòu)成了光子-磁子之間的一個(gè)分束器，如圖(a)所示。研究人員利用的正是該機(jī)制在激光冷卻和囚禁的冷原子團(tuán)上實(shí)現(xiàn)了不同玻色子間的量子干涉實(shí)驗(yàn)。如圖(b)所示，研究人員利用Fock態(tài)的單磁子與平均光子數(shù)小于1的單光子脈沖進(jìn)行著名的Hong-Ou-Mandel干涉，并在實(shí)驗(yàn)中平衡兩種玻色子輸入的比例以得到最好的干涉對(duì)比度，超越了經(jīng)典干涉的極限進(jìn)入量子干涉區(qū)域（綠色區(qū)域代表）。此系統(tǒng)的厄米性可由增加原子和光相互作用通道的損耗而進(jìn)行調(diào)控，在厄米系統(tǒng)中的玻色子聚束行為（下圖）能夠調(diào)控為非厄米系統(tǒng)中的反聚束行為（上圖）。在圖(c)中，研究人員讓原子-光界面中存儲(chǔ)的磁子與自由空間飛行的光子進(jìn)行干涉。結(jié)果表明在一定的存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)的磁子仍然能與飛行光子干涉并進(jìn)入量子區(qū)域，顯示它們具有不可分辨性。

該研究成功演示了非厄米物理能夠有效控制單量子激發(fā)的統(tǒng)計(jì)行為。其演示的物理模型同時(shí)適用于所有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)-光界面，且因熱噪聲得以有效控制此系統(tǒng)工作在單量子水平。由此，厄米性這個(gè)自由度可有效成為操控光-物質(zhì)界面的新手段。

南科大為論文第一單位，南科大量子科學(xué)與工程研究院副教授陳潔菲及副研究員Georgios A. Siviloglou為論文通訊作者，量子科學(xué)與工程研究院博士研究生王興昌、王建民分別為第一、第二作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授鄒長(zhǎng)鈴為該工作做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南方科技大學(xué)的大力支持。