关键词:
光与物质相互作用
巨型原子
自干涉效应
非互易单光子传输
里德堡原子
摘要:
对光与物质相互作用的探究一直以来都是人们关注的话题。本文旨在研究一类打破电偶极近似的非传统原子系统,即与波导存在非局域多点耦合的巨型原子系统。与传统情况下被视作点状物的原子不同,这里的巨型原子不再被看作只与场耦合于一点而是多个点,且不同耦合点之间的距离可以与场的波长相当甚至远远超过场的波长。这也带来了巨型原子系统中特有的自干涉效应,并因此出现了许多新奇且有趣的量子光学现象。由于光子在巨型原子不同耦合点之间传播需要时间,因此可以通过比较光子传播时间与原子寿命的大小,将巨型原子系统分为在马尔可夫极限下和非马尔可夫极限下两种情况进行讨论,且这两种情况都分别对应着不同的典型行为。例如,在马尔可夫极限下,不同巨型原子之间可以产生免退相干式的相互作用,而在非马尔可夫极限下,则会出现单个巨型原子的非传统振荡束缚态。本文所介绍的主要工作是在原有单光子散射理论的基础上,通过在传统巨型原子系统中引入等效的手性耦合来实现单光子的非互易传输。并进一步突破基于超导量子电路的巨型原子系统中微波或声波频段的限制,结合里德堡原子的一些性质,探究模拟光学频段的巨型原子以及实现非对称光子操控的可行性。
本文在第三章中研究了二能级巨型原子系统的非传统单光子散射特性,发现对于二能级巨型原子来说,实现单光子非互易传输的条件除需要引入耦合点相位差来破坏时间反演对称性以外,还需考虑原子向除波导以外环境的耗散。同时将二能级系统扩展到三能级△和▽结构巨型原子与双波导耦合的系统,进而实现非互易和手性的单光子散射。利用这种非互易的实现机制,巨型原子结构可以高效地将单个光子输送到任何所需的端口来构成定向路由器,并可以实现在四个端口之间循环传输光子的单光子循环器。
本文在第四章中提出了一个模拟工作在光学频段巨型原子的方案。与基于超导量子电路系统的人造巨型原子不同,这里考虑一对具有偶极相互作用的里德堡原子被束缚在光子晶体波导附近通过倏逝场与其耦合,并且这两个原子同时被外加相干场驱动。当演化时间较短时,可以通过绝热消除单激发态来模拟巨型原子,其中巨型原子效应体现为双里德堡激发态的布居演化依赖于光子在波导中传播积累的相位。随着演化时间变长,两个里德堡原子之间则会突然产生纠缠行为。这种纠缠的产生来源于原子向除波导以外环境的耗散,并且伴随着辐射光子的反聚束行为。
本文在第五章中,基于上一章所介绍的里德堡巨型原子模型,考虑通过改变外加相干场的入射角度来额外引入等效的手性原子-波导耦合,进而实现光子的不对称传输。与以往的手性装置不同,这里利用了一种巧妙的光学实现方案,通过对外部驱动场的几何调谐(即令其斜入射)来引入里德堡巨型原子与波导两个耦合点之间的相位差,这里基于干涉效应的手性耦合可以进一步实现单光子的非互易传输。此外,当采用两个或多个驱动场时,该平台还可以用作频率转换器,其转换效率可以展现出强烈的不对称性,并可以通过引入手性耦合被显著提高。实现了可拓展的光学频段里德堡巨型原子平台与手性量子光学的巧妙结合。
综上,本文研究了巨型原子系统中实现非互易单光子传输的物理机制,深入探究了巨型原子系统中的干涉效应,并提出了一种在光学频段模拟巨型原子的方案,拓展了该领域的研究思路,为实现光子操控提供了可能。