山西大学激光光谱研究所

      近日，课题组在激光耦合里德堡原子系统中展示了单光子波矢量的全光调控，实现了方向可切换的单光子发射器，相关研究成果以“Direction-switchable single-photon emitter using a Rydberg polariton”为题发表在光学权威期刊《Optica》。博士生李昌成、施小锋教授和焦月春教授为论文共同第一作者，赵建明教授、焦月春教授和海南大学施小锋教授为共同通讯作者，青年教师白景旭和研究生沈旭、杨久恒参与了该研究，贾锁堂教授和英国杜伦大学C. Stuart Adams教授为该工作提供了重要指导。

图：-重定向协议。(a) π-重定向协议的波矢匹配过程。(b)原子能级结构。(c)原子热运动退相干的有效抑制。(d)具有个输出通道的单光子量子路由和非共线几何下~100°的重定向结果。

 光量子网络是连接、扩展并最终实现分布式量子计算与量子通信的核心，对推动量子信息技术从单体演示走向实用化、网络化具有不可替代的关键作用。构建可扩展的光量子网络迫切需要确定性的单光子路由与非线性光学操控。虽然基于谐振波导、微腔系统以及超导量子比特等多种物理系统已经实现了单光子路由，但是由于光子间缺乏内在的相互作用，这些系统不能实现确定性的非线性光学操控。而里德堡原子具有很强的相互作用，基于里德堡系统可以将原子间的相互作用投映到光子上，从而实现确定性的光学非线性操控，为实现功能性光量子器件带来了新的前景。

       研究团队在超冷里德堡原子系统中，通过激光相干调控里德堡态，发展了一种全光调控单光子波矢的新方法，实现了方向可控的单光子输出。我们将这种方法称为“π-重定向协议” ，如图a所示，首先利用电磁感应透明(EIT)和量子存储技术将光子存储在单个里德堡原子中，形成里德堡极子；在存储过程中，通过单个拉曼脉冲，将存储光子的里德堡极子转换到另一种状态的极子（图b）；在读出过程中，若设计读取激光的入射方向，使其波矢与里德堡极化子、输出信号光子的波矢在空间中形成闭合三角形，满足相位匹配条件，即可实现确定方向的读出信号光子。通过这种方法我们实验上展示了与原本入射方向一样（图c）以及重定向100°（图d）出射的单光子信号。进一步将读取激光绕极化子波矢旋转（图d），实现了具有N个输出通道且各方向读出效率完全相同的通用单光子量子路由。此外，这种方法还可以消除原子在实空间中热运动引起的退相干，提升输出单光子的寿命，将相干时间从1us提升至14μs以上(图c)。

该工作得到了国家自然科学基金、科技部项目、光量子技术与器件全国重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.589677