頂刊寵兒——量子信息技術

2020-10-03 研之成理

▲第一作者：Adarsh S. Prasad
通訊作者：Sahand Mahmoodian, Arno Rauschenbeutel

通訊單位：維也納科技大學，漢諾瓦萊布尼茲大學，柏林洪堡大學

DOI：10.1038/s41566-020-0692-z

背景介紹

通過量子非線性介質強烈相互作用的光子表現出複雜的失衡量子多體動力學，這可能使人們能夠定製和控制光的光子統計。非線性介質中的光子可以互相排斥或吸引，從而導致強相關的量子多體態。這種量子相關光是量子傳感、量子計量和量子通信以及量子模擬和信息處理中的關鍵資源。通常，這種相關態是由與光子模式牢固耦合的量子發射器所賦予的極端非線性引起的，如通過高端光學腔、強相互作用裡德堡原子的集體響應或單個量子發射體與波導的有效耦合，而產生光子態的共振增強。但是，使用這些方法時不可避免的耗散（例如光子損失）會模糊非線性量子效應。這使得單個光子之間強相互作用的實現仍然是一個挑戰。

本文亮點

1、本文報導了一種產生強相關多體量子態的新方法——利用由弱耦合到光場的不相互作用的量子發射器組成強耗散非線性介質來生成強相關光子態技術。通過非相互作用的波導耦合原子集合誘導同時到達的光子產生相互作用，進而實現非線性光子態的集體關聯增強。
2、這些相關的光子比不相關的光子具有更少的耗散。根據原子數，在實驗上觀察到透射光的強光子聚集或反聚集。

3、這種集體增強非線性的實現對量子信息科學來說可能具有變革性意義，同時其涵蓋了從微波到X射線的頻率範圍特點也為非經典光的生成提供了新途徑。可能成為一種新的實現在具有可比耦合強度的情況下優於基於單量子發射器源的單光子源方法。

圖文解析

▲圖1. 實驗裝置及實驗測量過程示意圖
要點： 通過將透射光發送到Hanbury-Brown-Twiss裝置上（該裝置由50/50光束分離器、單光子計數模塊（SPCM）（每個輸出中都配備）和一個記錄光子到達時間的時間標記裝置組成）來測量透射光的光子統計量。通過對光子檢測事件之間的時間差進行歸一化得出透射光的g（2）（τ）（g（2）（τ）為修正的光的二階相關函數，其中τ是時間差。），利用該裝置能夠針對2.6×106次實驗運行中的每一個並推斷出被捕集合的光學深度（OD），同時還獲得了一組54個的二階相關函數。

▲圖2. 四個不同平均原子數測得的二階相關函數
要點：1、 隨著OD的增加，g（2）（0）開始降至1以下即產生光子反聚束。

2、 當OD=5.13（對應於平均原子數N=156）時，反聚束達到其最小值g（2）（0）= 0.37±0.12。

3、 g（2）（τ）在τ= 0處開始出現峰值，並且與理論預測相符的是，當有限時延τ≠0時表現出完美的反相關。

4、 當平均原子數超過N = 180時表現出強光子聚集。

▲圖3. 被捕獲原子數零時延的相關性分析
要點：顯示了所有測量的相關函數的g（2）（τ= 0）值與OD的關係及理論模擬。使用耦合強度β作為唯一擬合參數OD中的實驗不確定性，結果發現對於相同的β值，OD值沒有不確定性。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41566-020-0692-z

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