华中科大李霖课题组实现“非局域”的光子操控技术

近日，华中科技大学国家精密重力测量科学中心李霖教授课题组在里德堡原子光量子调控领域取得重要研究进展。团队围绕量子光学中的一项基础性问题展开探索：在空间传播路径完全分离、从未发生直接相遇的光子之间，是否能够实现有效且可控的相互作用。

团队采用结构光场与里德堡原子相结合的方法，实现了一种“非局域”的光子操控技术：用一个单光子有效调控了在分离路径上传输的上百个光子，构建了增益高达151的单光子晶体管。相关成果以“Nonlocal switch and transistor between single photons”为题，发表于国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》。

 

非局域单光子晶体管示意图

近年来，里德堡原子领域发展迅速，为调控光子相互作用及构建可扩展的量子信息处理提供了新的可能。然而，目前的里德堡光量子实验中，光子空间模式的重叠会引发显著的多光子自阻塞效应，严重限制了可同时操控的光子数量与器件整体性能。

针对这一挑战，博士后廖忍等人提出并实现了一个“非局域路径操控”方案，利用环状结构光场与里德堡原子耦合，构建了“中心-环绕”的光子构型：门光子位于中心，而被操控的大量目标光子则在环绕的独立路径上传输，二者在空间上自然分离。 

非局域单光子晶体管实验实现方案及结果

该方法有效缓解了传统方案中因光子空间密集分布导致的自阻塞效应。实验结果表明，一个门光子能够有效调控上百个在分离路径上传输的目标光子，由此实现的单光子晶体管增益高达151，为相同条件下传统方案的三倍，证实了非局域路径操控的有效性。

此项工作的创新之处在于，利用结构光场和里德堡原子耦合实现光子—光子相互作用的精细调控，突破了传统方案中光子自阻塞与互阻塞难以兼顾的限制。这一结果不仅为构建高性能、可扩展的光量子器件提供了新思路，也有望应用于基于里德堡原子的并行量子信息处理以及非破坏量子态探测等前沿研究方向。

华中科技大学为该工作第一完成单位，博士后廖忍、博士生宋泽瑞和博士后叶根生为该论文的共同第一作者，李霖教授与叶根生为通讯作者。主要合作者还包括博士生余建昊以及北京量子信息科学研究院常越研究员。该工作得到了科技部国家重点研发计划、自然科学基金委、上海市科委、国家资助博士后研究人员计划、湖北省博士后尖端人才引进计划以及国家精密重力测量科学中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/2sl5-7pbr