近日，我校物理学院龚尚庆、钮月萍教授团队在常温、无噪声、单光子的无磁光隔离研究中取得重要进展，成果以“Noiseless single-photon isolator at room temperature”为题发表在Communications Physics上。
光学非互易器件是光通信和光信息处理等领域的基础元器件。由于目前商用的非互易器件都基于磁光材料，存在难以集成的困难，因此，具有集成潜力的无磁非互易近年来受到研究人员的广泛关注。但目前已报道的无磁非互易大多针对的都是经典光或弱相干光。而对于量子应用来说，通常要求输入光场是单光子。单光子非互易器件不仅需要具有非互易的传输特性，还需要保持输入单光子的量子特性，即系统不能引入额外的噪声（包括经典背景噪声和量子噪声）。受限于驱动光场诱导的噪声问题，真正实用的无噪声单光子非互易在实验上仍然是一个难点。
团队在前期以原子热运动实现非互易传输系列工作基础上，提出利用非相干泵浦实现无噪声的单光子光隔离，并在实验上进行了验证。对于热原子气体，考虑多普勒效应时，光学泵浦的结果将依赖于原子的速度和泵浦场的频率。通过控制泵浦场频率可以诱导出不对称的原子基态布居进而实现对光的非互易传输。由于所需要的泵浦光场强度较低，并且驱动频率与信号光子的频率相差巨大，因此系统的经典背景噪声可以很容易地消除；同时，泵浦光场诱导的布居转移过程是非相干的，因此也不会引入量子噪声。实验中采用碱金属铷原子气体，在40 mW的泵浦光强下实现了30.3 dB的隔离度，插入损耗仅为0.6 dB。二阶关联函数显示，单光子信号光的量子特性保持得很好。该方案在实用化量子网络和集成量子信息处理方面具有重要应用价值。
图：从左到右依次为所用的铷原子相关能级、非互易原理、实验结果
该工作是团队将基于原子气体热运动的无磁非互易传输原理向真正单光子拓展的顺利实现。团队的张示城副教授和博士生战一帆为论文的共同一作，钮月萍教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、扬帆和晨光计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s42005-023-01141-z