中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光纖微腔的腔量子電動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、王健等人基于光纖微腔-銣原子系統(tǒng)首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到原子共振熒光中的雙光子糾纏。該成果于2月5日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
 

　　共振熒光是二能級(jí)系統(tǒng)在被共振激發(fā)時(shí)輻射的光場(chǎng)，是最基本的量子光源，也是量子光學(xué)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。理論研究表明，共振熒光中同時(shí)存在著彈性散射和非彈性散射兩種成分，其中非彈性散射過(guò)程可以有兩個(gè)光子參與，并且這兩個(gè)光子處于能量-時(shí)間糾纏態(tài)。然而由于非彈性散射過(guò)程發(fā)生概率低，且受限于原子線寬窄、囚禁困難大以及熒光收集效率低等因素，原子共振熒光中的雙光子糾纏現(xiàn)象尚未被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
 

　　原子腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是研究光與原子相互作用的理想平臺(tái)，國(guó)際上該領(lǐng)域的研究主要集中于原子與光學(xué)腔的強(qiáng)耦合區(qū)域。李傳鋒、王健研究組長(zhǎng)期從事光纖微腔實(shí)驗(yàn)研究，率先在國(guó)內(nèi)搭建了完整的光纖微腔制備和應(yīng)用平臺(tái)，開發(fā)出一套工作在普塞爾(Purcell)區(qū)域的光纖微腔-中性原子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。相比于強(qiáng)耦合區(qū)域，工作在普塞爾區(qū)域的系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括光子讀出速度快、增益譜線寬、收集效率高等，適合進(jìn)行量子光學(xué)和量子網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。具體而言，研究組通過(guò)二氧化碳激光器在光纖端面燒制面型并鍍上特定膜層，搭建出基于光纖的法布里-珀羅微腔，該微腔具有極小的模式體積，能夠?qū)崿F(xiàn)光與原子的相互作用。此外，基于抑制偶極阱引起的腔長(zhǎng)漂移和可移動(dòng)光學(xué)晶格等多種技術(shù)，研究組實(shí)現(xiàn)了光纖微腔內(nèi)單個(gè)原子的分鐘級(jí)壽命的囚禁。
 

　　研究組基于該系統(tǒng)研究共振熒光中的非彈性散射過(guò)程，為原子能級(jí)躍遷提供了寬譜的增益，并同時(shí)增強(qiáng)了共振熒光中兩光子散射。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的基于過(guò)耦合機(jī)制的光學(xué)陷波濾波器，逐步濾除共振熒光中彈性散射成分，觀測(cè)到光場(chǎng)從亞泊松分布到超泊松分布的轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步采用Franson型干涉儀對(duì)兩光子進(jìn)行聯(lián)合分析，最終以違背貝爾不等式8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證實(shí)共振熒光中非彈性散射的光子是能量-時(shí)間糾纏的。最后，研究組通過(guò)調(diào)控光纖微腔與單原子的耦合強(qiáng)度，成功觀測(cè)到了雙光子線寬的連續(xù)變化，證實(shí)了該方法產(chǎn)生的光子糾纏態(tài)可兼容中性原子的光量子網(wǎng)絡(luò)接口。
 

　　圖1：實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)裝置。(a)二能級(jí)原子的彈性散射和非彈性散射過(guò)程；(b)共振熒光譜線和光學(xué)腔增益譜線；(c)光纖微腔-中性原子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。

 

　　圖2:非彈性散射過(guò)程中的能量-時(shí)間糾纏實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)兩光子間的時(shí)間分辨相關(guān)性測(cè)量。(b)雙光子糾纏態(tài)的干涉曲線。

 

　　該工作首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中性原子共振熒光中非彈性散射過(guò)程的糾纏性質(zhì)，加深了對(duì)共振熒光過(guò)程的理解，為中性原子光量子網(wǎng)絡(luò)所需的光子糾纏源的制備提供了新思路。審稿人對(duì)該工作的創(chuàng)新性給予高度評(píng)價(jià)：“The way of creating entangled photon pairs by filtering resonance fluorescence is different from all methods used with trapped atoms or ions I know of(這種通過(guò)共振熒光濾波來(lái)創(chuàng)造糾纏光子對(duì)的方法不同于我所知道的所有基于原子或離子的方法。)”；“the detuned excitation, the measurement of the corresponding photon time order and temporal shape, the atom-compatible wavelengths and linewidths enabling the use of multiple exactly identical emitters for potential entanglement networks, and the clever and very effective spectral filtering come to my mind(該方法使用的失諧激發(fā)、光子時(shí)間順序和時(shí)域形狀的測(cè)量、能夠使多個(gè)相同發(fā)射器應(yīng)用在同一糾纏網(wǎng)絡(luò)中的與原子匹配的波長(zhǎng)和線寬、以及巧妙而非常有效的光譜濾波方法令我印象深刻)”。
 

　　中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的特任副研究員王健和博士后周小龍為論文的共同第一作者。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。