中國科大首次觀測到原子共振熒光中的雙光子糾纏

　　【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學郭光燦院士團隊在光纖微腔的腔量子電動力學領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、王健等人基于光纖微腔-銣原子系統首次實驗觀測到原子共振熒光中的雙光子糾纏。該成果于2月5日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。
 

　　共振熒光是二能級系統在被共振激發時輻射的光場，是最基本的量子光源，也是量子光學領域的重要研究內容。理論研究表明，共振熒光中同時存在著彈性散射和非彈性散射兩種成分，其中非彈性散射過程可以有兩個光子參與，并且這兩個光子處于能量-時間糾纏態。然而由于非彈性散射過程發生概率低，且受限于原子線寬窄、囚禁困難大以及熒光收集效率低等因素，原子共振熒光中的雙光子糾纏現象尚未被實驗所證實。
 

　　原子腔量子電動力學系統是研究光與原子相互作用的理想平臺，國際上該領域的研究主要集中于原子與光學腔的強耦合區域。李傳鋒、王健研究組長期從事光纖微腔實驗研究，率先在國內搭建了完整的光纖微腔制備和應用平臺，開發出一套工作在普塞爾(Purcell)區域的光纖微腔-中性原子實驗系統。相比于強耦合區域，工作在普塞爾區域的系統具有諸多優勢，包括光子讀出速度快、增益譜線寬、收集效率高等，適合進行量子光學和量子網絡等相關實驗研究。具體而言，研究組通過二氧化碳激光器在光纖端面燒制面型并鍍上特定膜層，搭建出基于光纖的法布里-珀羅微腔，該微腔具有極小的模式體積，能夠實現光與原子的相互作用。此外，基于抑制偶極阱引起的腔長漂移和可移動光學晶格等多種技術，研究組實現了光纖微腔內單個原子的分鐘級壽命的囚禁。
 

　　研究組基于該系統研究共振熒光中的非彈性散射過程，為原子能級躍遷提供了寬譜的增益，并同時增強了共振熒光中兩光子散射。通過自主設計的基于過耦合機制的光學陷波濾波器，逐步濾除共振熒光中彈性散射成分，觀測到光場從亞泊松分布到超泊松分布的轉變。進一步采用Franson型干涉儀對兩光子進行聯合分析，最終以違背貝爾不等式8個標準差的結果，實驗證實共振熒光中非彈性散射的光子是能量-時間糾纏的。最后，研究組通過調控光纖微腔與單原子的耦合強度，成功觀測到了雙光子線寬的連續變化，證實了該方法產生的光子糾纏態可兼容中性原子的光量子網絡接口。
 

　　圖1：實驗原理與實驗裝置。(a)二能級原子的彈性散射和非彈性散射過程；(b)共振熒光譜線和光學腔增益譜線；(c)光纖微腔-中性原子系統實驗裝置。

 

　　圖2:非彈性散射過程中的能量-時間糾纏實驗結果。(a)兩光子間的時間分辨相關性測量。(b)雙光子糾纏態的干涉曲線。

 

　　該工作首次實驗證實了中性原子共振熒光中非彈性散射過程的糾纏性質，加深了對共振熒光過程的理解，為中性原子光量子網絡所需的光子糾纏源的制備提供了新思路。審稿人對該工作的創新性給予高度評價：“The way of creating entangled photon pairs by filtering resonance fluorescence is different from all methods used with trapped atoms or ions I know of(這種通過共振熒光濾波來創造糾纏光子對的方法不同于我所知道的所有基于原子或離子的方法。)”；“the detuned excitation, the measurement of the corresponding photon time order and temporal shape, the atom-compatible wavelengths and linewidths enabling the use of multiple exactly identical emitters for potential entanglement networks, and the clever and very effective spectral filtering come to my mind(該方法使用的失諧激發、光子時間順序和時域形狀的測量、能夠使多個相同發射器應用在同一糾纏網絡中的與原子匹配的波長和線寬、以及巧妙而非常有效的光譜濾波方法令我印象深刻)”。
 

　　中國科學院量子信息重點實驗室的特任副研究員王健和博士后周小龍為論文的共同第一作者。該工作得到了科技創新2030重大項目、國家自然科學基金委以及中國科學技術大學的資助。