近日，華中科技大學國家精密重力測量科學中心、物理學院引力中心李霖教授團隊在里德堡原子光量子調控領域取得重要進展。課題組探索了量子光學中的一個基礎性問題：在從未相遇(空間傳播路徑不重疊)的光子之間，能否實現(xiàn)有效且可控的相互作用?

團隊采用結構光場與里德堡原子相結合的方法，實現(xiàn)了一種“非局域”的光子操控技術：用一個單光子有效調控了在分離路徑上傳輸?shù)纳习賯€光子，構建了增益高達151的單光子晶體管。該工作以“Nonlocal switch and transistor between single photons”為題，發(fā)表于Physical Review Letters。

近年來，里德堡原子領域發(fā)展迅速，為調控光子相互作用及構建可擴展的量子信息處理提供了新的可能。然而，目前的里德堡光量子實驗中，光子空間模式的重疊會引發(fā)顯著的多光子自阻塞效應，嚴重限制了可同時操控的光子數(shù)量與器件性能。

針對這一挑戰(zhàn)，博士后廖忍等人提出并實現(xiàn)了一個“非局域”方案，利用環(huán)狀結構光場與里德堡原子耦合，構建了“中心-環(huán)繞”的光子構型：門光子位于中心，而被操控的大量目標光子則在環(huán)繞的獨立路徑上傳輸，二者在空間上自然分離。

非局域單光子晶體管實驗實現(xiàn)方案及結果

該方法有效緩解了傳統(tǒng)方案中因光子空間密集分布導致的自阻塞效應。實驗結果表明，一個門光子能夠有效調控上百個在分離路徑上傳輸?shù)哪繕斯庾?，由此實現(xiàn)的單光子晶體管增益高達151，為相同條件下傳統(tǒng)方案的三倍，證實了非局域路徑操控的有效性。

此項工作的創(chuàng)新之處在于，利用結構光場和里德堡原子耦合實現(xiàn)光子—光子相互作用的精細調控，突破了傳統(tǒng)方案中光子自阻塞與互阻塞難以兼顧的限制。這一結果不僅為構建高性能、可擴展的光量子器件提供了新思路，也有望應用于基于里德堡原子的并行量子信息處理以及非破壞量子態(tài)探測等前沿研究方向。

華中科技大學為該工作第一完成單位，博士后廖忍、博士生宋澤瑞和博士后葉根生為該論文的共同第一作者，李霖教授與葉根生為通訊作者。主要合作者還包括博士生余建昊以及北京量子信息科學研究院常越研究員。

審核編輯 黃宇