近日，ACS Photonics在線發表了上海交通大學物理與天文學院袁璐琦課題組及其合作者完成的題為 「Frequency Manipulations in Single-Photon Quantum Transport under Ultrastrong Driving」的最新研究成果。本文報導了在外加超強耦合驅動場作用下，實現單光子量子傳輸頻率操控的研究。
近年來，隨著量子技術的不斷發展，有效的操控單光子的量子態可以為量子信息處理提供潛在的應用，因而受到了人們的廣泛關注。在原子—波導耦合系統中，波導光子與原子發生強相互作用，為研究量子非線性光學，實現光子—光子的相互作用提供了可能性。
左圖：在一維波導中，單光子與外加光場驅動原子的相互作用示意圖；右圖：單光子量子傳輸的基頻透射譜。
本文研究了單頻波導光子與V型三能級原子的兩個躍遷通道均能發生耦合躍遷這一普適情況下，原子的兩個上能級被外加驅動場耦合併影響單光子傳輸的物理效應。在外加驅動場的超強耦合作用下，原子能級發生拉比劈裂，入射光子經歷不同的虛擬原子躍遷路徑並產生量子幹涉效應。在旋波近似不再適用的條件下，通過改變入射光子的頻率和外加驅動場的拉比頻率，可以在單光子量子傳輸過程中實現單光子頻率關聯態的製備以及單向的頻率轉換。本研究工作可以在一個搭建好的原子—波導實驗平臺內實現多種功能，為集成光子學中單光子態頻率操控的工程實現提供了理論基礎。此外，通過引入可調諧的外加驅動場，推動了全光操控的單光子量子態的發展。
圖（a-c）：單光子頻率關聯態的製備；圖（d）：單光子頻率轉換的實現。
物理與天文學院博士生肖瀚和博士後王珞珈為本論文的共同第一作者，袁璐琦特別研究員為通訊作者，合作者為上海交通大學陳險峰教授。此研究工作得到了國家自然科學基金（No. 11974245）、國家重點研究計劃項目（No. 2018YFA0306301, 2017YFA0303701）、上海自然科學基金（No. 19ZR1475700）的支持。
論文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00263