南京大学等在量子拓扑光子学领域取得进展

MEMS 2022-05-29 00:00

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南京大学夏可宇与陆延青教授团队与日本理化所Franco Nori教授、天津大学聂伟副教授合作在量子拓扑光子学领域取得新进展。相关成果以「Nonreciprocal Single-photon Band Structure」为题在物理学权威期刊Physical Review Letters发表。南京大学博士生唐江山为论文的第一作者，夏可宇教授为通讯作者，陆延青教授对该工作提供了指导性意见，天津大学理学院量子交叉研究中心聂伟副教授与日本理化学研究所Franco Nori教授对本工作做出了重要贡献，南京大学博士生唐磊、陈明远和苏欣为合作作者。

与凝聚态物质中的电子能带结构类似，已有的周期性光子结构显示出非平凡的能带结构，并允许对缺陷免疫的光子输运，在光传输调控中有许多重要应用。然而，为了摆脱背向散射引起的光子损耗，拓扑光子学系统只有在外部或者合成磁场存在的情况下，才可以打破光子传输过程中的时间反演对称性，从而获得抗背向散射的光子单向传输，实现光隔离。由于强磁场的约束，这种周期性光子微结构难以集成和小型化。因此，探索实现无磁非互易光子能带结构，尤其是对量子光有效的，将能极大促进光子量子信息技术的发展。

基于麦克斯韦方程组的经典电磁场理论认为没有输入和激励源的空间内不存在电磁场。从无源麦克斯韦方程出发推导的洛伦兹互易定理是线性时不变电磁系统普遍遵从的基本物理规律。然而，根据量子光学理论，即使没有输入和激励，真空中存在量子涨落即量子真空场，导致其中的电磁场不为零。因此，如何利用量子真空场打破洛伦兹互易定理是一个基础科学问题。相比各种传统的方法，手性量子光学系统可以利用量子机制实现光学非互易，提供前所未有的非传统量子信息处理能力。本工作理论提出利用量子发射器(Quantum emitters, QEs)与耦合共振光学波导(Coupled-resonator optical waveguide, CROW)中的量子真空场之间的手性相互作用实现无需磁场的非互易单光子拓扑能带结构和单光子隔离。

图1 (a) 手性QE-CROW系统示意图。箭头表示对于1或3端口输入（正向入射）的回音壁模式传播方向。2或4端口输入（反向入射）激发相反的传播模式。具有极化跃迁的QEs周期性耦合A子晶格的顺时针模式。(b) 正向入射情况下表现L型三聚体链特征。(c) 反向入射情况下表现二聚体链特征。

该工作提出了一种新型无磁拓扑光学系统——手性QE-CROW量子光学系统——来实现光学非互易。如图1 (a)所示，该系统由具有周期性结构的CROW和二能级QE阵列组成。在CROW中，每个微环腔的倏逝场具有完美的圆偏振，其光学手性近乎为一，构成自旋-动量锁定。对于二能级QE，可以通过初始化基态或利用光学斯塔克效应来诱导手性跃迁。在此配置下，当正向入射时，二能级QE阵列与CROW耦合形成L型三聚体链 [见图1 (b)]，而反向入射时，二能级QE阵列与CROW解耦，形成二聚体链 [见图1 (c)]。这种独特结构表现出非互易的能带结构特征，从而带来了许多新颖的物理现象以及潜在应用。

图2 (a, b) 非互易能带结构，其中(a)对应反向激发，(b)对应正向激发；(c, d)非互易能谱，其中(c)对应反向激发，(d)对应正向激发；(e-g)边界态元胞概率分布，其中(e)对应反向激发，(d, e)对应正向激发。

通过考虑拓扑SSH模型结构，研究人员展示了当CROW元胞内耦合小于元胞间耦合时, 系统会表现出非互易的单光子平带和边界态，见图2。这种非互易的拓扑态可以用来构建边界态遂穿诱导的单光子环形器。更有趣的是，当CROW元胞内耦合与元胞间耦合相等时，即在标准SSH模型平庸的情况下，系统会出现非互易的单光子带隙，见图3 (a, b)。研究人员展示了在这种情况下可以实现频率复用的单光子环形器。同时，受非互易带隙的保护，单光子传输具有很强的免疫背向散射的特性。因此，该系统有望实现一种新型的抗背向散射的光学器件。