一对弱耦合腔中的非常规光子阻塞

常规光源不是通过一个连续的光流发光,就是通过多个称为光子的光粒子的脉冲发光。然而,量子技术的许多应用只需几个(甚至单个)光子,因此需要一次只发射少量光子的专门光源。
一种很有前景的单光子生成方法是使用一个双能级发射体-腔系统(即在光腔内置入发射体,如原子或量子点)。在该系统中,由于“光子阻塞”效应,腔内只能存在一个光子,这类似于一道门,使光子只能一次一个地通过。此外,发射的光会出现“反聚束”效应,光子之间的间隔比传统光源更规则。
然而,使用单个腔进行光子阻塞时需要腔与发射体间存在着高强度的相互作用(或称为“非线性”),这可能难以实现。相比之下,正如理论物理学家们在2010年所展示的,由两个耦合腔组成的系统即便在非线性较弱的情况下也能发出高度反聚束的光。然而,这种效应(称为“非常规光子阻塞”或UPB)背后的机制仍然未知。
我们在2011年进行的研究中探索了耦合腔中的UPB现象,并通过分析证实了这是不同激发路径的破坏性量子干涉所引起的,这确保了腔中不可能同时存在两个光子。我们的研究让许多理论物理学家们产生了极大的兴趣,他们随后提出了各种扩展计算。然而,等待实验来证实需要更长的时间,我们的发现最终在2018年进行的以下两项研究中得到了证实!
Vaneph等人在2018年进行了一项实验,旨在利用两个耦合的超导腔通过微波光子实现UPB。他们观察到,在一个腔中引入非线性的做法确实阻止了两个微波光子的传输。此外,该器件表现出在反聚束发射与聚束发射之间快速振荡,与理论上的预测相符。
在Snijders等人于2018年进行的另一项实验中,科学家们利用单个腔的两个正交偏振模式,让腔内的量子点发射体与这两个模式弱耦合,使系统等效于耦合腔配置,从而实现了UPB。在这种弱耦合的发射体-腔器件中成功观察到了光子反聚束,而在传统的光子阻塞中不能获得反聚束。
这些发现有助于揭开UPB的面纱,有望推动基于单个光子的量子技术的发展,从而开启高安全性通信以及高分辨率量子成像的大门。

论文标题:

Origin of strong photon antibunching in weakly nonlinear photonic molecules

作者:

Motoaki Bamba, Atac Imamoğlu, Iacopo Carusotto, and Cristiano Ciuti

DOI:

10.1103/PhysRevA.83.021802

论文链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevA.83.021802