?

近我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光學(xué)非互易領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)鄒長(zhǎng)鈴研究組與山西大學(xué)張鵬飛、張?zhí)觳沤淌诘热撕献?，在原子系綜中實(shí)現(xiàn)了51.5dB的非互易隔離，是目前無磁非互易領(lǐng)域中的最高隔離比，并且首次探討了非互易器件中量子噪聲問題，證明了該新的全光非互易效應(yīng)不會(huì)引入額外的量子噪聲。該成果于2021年4月22日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然?通訊》上。

非互易是光學(xué)領(lǐng)域中重要的基礎(chǔ)概念，由此衍生出的隔離器、環(huán)路器等都是光路中不可或缺的元件。以磁光效應(yīng)圓偏雙折射為原理的法拉第隔離器因其易于搭建、隔離度高、低損耗等特性被廣泛地使用于各種光路系統(tǒng)中。然而在集成化的光路中，傳統(tǒng)的法拉第隔離器會(huì)受到種種限制，一是難以制備高性能的片上磁光介質(zhì)，二是其所需的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍的器件產(chǎn)生干擾，因此如何實(shí)現(xiàn)可集成的無磁非互易在近些年來倍受大家關(guān)注。鄒長(zhǎng)鈴和董春華等合作者致力于非互易光子器件，在此方向做出了一系列重要的成果，包括Nature Communications 6, 6193 (2015); Nature Photonics 10, 657-661 (2016); Physical Review Letters 117, 123902 (2016); Nature Communications 9, 1797 (2018); Laser & Photonic Review 14, 1900252 (2020); Physical Review Letters 126, 123603 (2021)。

該研究組利用圓偏泵浦光將氣室中的原子極化到一個(gè)特定的磁自旋態(tài)上，對(duì)不同偏振的光產(chǎn)生不同的吸收和色散，實(shí)現(xiàn)了約30dB的隔離比。在此基礎(chǔ)上，研究組加入了一個(gè)行波腔，大幅增強(qiáng)了光與原子之間的相互作用，最終將隔離比提高到了51.5dB，成功地制備出了基于原子系綜的非互易介質(zhì)。這套系統(tǒng)有較好的魯棒性，對(duì)于外界弱磁場(chǎng)的干擾、泵浦光頻率和功率的浮動(dòng)等均不敏感，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)裝置圖以及非互易效果圖

此外，該研究組首次在非互易領(lǐng)域中提出并回答了非互易器件本身是否會(huì)產(chǎn)生噪聲光子的問題。他們通過測(cè)量相干光和偽熱光通過該系統(tǒng)前后的二階相干函數(shù)的改變，間接地計(jì)算出系統(tǒng)自身產(chǎn)生的噪聲光子數(shù)小于0.0084個(gè)（99.7%置信），證明該系統(tǒng)并不會(huì)產(chǎn)生額外的量子噪聲。

該成果在非互易領(lǐng)域開辟出了一個(gè)新的方向，并在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。審稿人給予了高度評(píng)價(jià)：“Hu et al, address an important challenge in achieving a stable and robust non-reciprocal device and demonstrate a very low-noise device（胡等人在實(shí)現(xiàn)魯棒非互易器件上解決了一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，展示出了一個(gè)噪聲非常低的系統(tǒng)）”； “The results are very impressive and seem encouraging towards realizing non-reciprocal devices.(實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人印象深刻，在實(shí)現(xiàn)非互易器件這條道路上是十分鼓舞人心的)”

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生胡昕欣和王竹博為論文共同第一作者，通訊作者為我校鄒長(zhǎng)鈴教授、董春華教授和山西大學(xué)的張鵬飛教授。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和安徽省引導(dǎo)專項(xiàng)的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22597-z

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）