中國(guó)科大開(kāi)辟非互易領(lǐng)域新方向 實(shí)現(xiàn)50dB無(wú)噪聲全光隔離

4月26日消息（余予）來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，近日，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光學(xué)非互易領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)鄒長(zhǎng)鈴研究組與山西大學(xué)張鵬飛、張?zhí)觳沤淌诘热撕献?，在原子系綜中實(shí)現(xiàn)了51.5dB的非互易隔離，是目前無(wú)磁非互易領(lǐng)域中的最高隔離比，并且首次探討了非互易器件中量子噪聲問(wèn)題，證明了該新的全光非互易效應(yīng)不會(huì)引入額外的量子噪聲。

非互易是光學(xué)領(lǐng)域中重要的基礎(chǔ)概念，由此衍生出的隔離器、環(huán)路器等都是光路中不可或缺的元件。以磁光效應(yīng)圓偏雙折射為原理的法拉第隔離器因其易于搭建、隔離度高、低損耗等特性被廣泛地使用于各種光路系統(tǒng)中。然而在集成化的光路中，傳統(tǒng)的法拉第隔離器會(huì)受到種種限制：一是難以制備高性能的片上磁光介質(zhì)；二是其所需的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍的器件產(chǎn)生干擾，因此如何實(shí)現(xiàn)可集成的無(wú)磁非互易在近些年來(lái)倍受大家關(guān)注。

研究組利用圓偏泵浦光將氣室中的原子極化到一個(gè)特定的磁自旋態(tài)上，對(duì)不同偏振的光產(chǎn)生不同的吸收和色散，實(shí)現(xiàn)了約30dB的隔離比。在此基礎(chǔ)上，研究組加入了一個(gè)行波腔，大幅增強(qiáng)了光與原子之間的相互作用，最終將隔離比提高到了51.5dB，成功地制備出了基于原子系綜的非互易介質(zhì)。這套系統(tǒng)有較好的魯棒性，對(duì)于外界弱磁場(chǎng)的干擾、泵浦光頻率和功率的浮動(dòng)等均不敏感，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)裝置圖以及非互易效果圖

此外，該研究組首次在非互易領(lǐng)域中提出并回答了非互易器件本身是否會(huì)產(chǎn)生噪聲光子的問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量相干光和偽熱光通過(guò)該系統(tǒng)前后的二階相干函數(shù)的改變，間接地計(jì)算出系統(tǒng)自身產(chǎn)生的噪聲光子數(shù)小于0.0084個(gè)（99.7%置信），證明該系統(tǒng)并不會(huì)產(chǎn)生額外的量子噪聲。

該成果于2021年4月22日在國(guó)際知名期刊《自然•通訊》上發(fā)表，其在非互易領(lǐng)域開(kāi)辟出了一個(gè)新的方向，并在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。相關(guān)審稿人給予高度評(píng)價(jià)：

·胡等人在實(shí)現(xiàn)魯棒非互易器件上解決了一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，展示出了一個(gè)噪聲非常低的系統(tǒng)；

·實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人印象深刻，在實(shí)現(xiàn)非互易器件這條道路上是十分鼓舞人心的。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生胡昕欣和王竹博為論文共同第一作者，通訊作者為我校鄒長(zhǎng)鈴教授、董春華教授和山西大學(xué)的張鵬飛教授。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和安徽省引導(dǎo)專項(xiàng)的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22597-z

附：鄒長(zhǎng)鈴和董春華等合作者此前在非互易光子器件方向做出的一系列重要成果：

·中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)董春華研究小組與鄒長(zhǎng)鈴博士后首次在介質(zhì)微腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基于布里淵散射聲學(xué)聲子的光信息存儲(chǔ)，存儲(chǔ)壽命可達(dá)十幾微秒。該成果于2015年2月4日在Nature Communications上發(fā)表；

·中國(guó)科大郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董春華研究小組與鄒長(zhǎng)鈴博士后在腔光力學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在回音壁模式微腔內(nèi)觀測(cè)到基于腔光力體系的非互易光學(xué)特性，得到了全光控制的非互易微腔器件。該成果8月22日在《自然•光子學(xué)》上發(fā)表；

·中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)董春華研究組首次利用回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性，實(shí)現(xiàn)了全光控制的非互易多功能光子器件，并首次實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)定向放大器。該成果于5月4日在國(guó)際權(quán)威期刊《Nature Communications》上發(fā)表；

·我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)董春華研究組在單個(gè)微腔內(nèi)構(gòu)建了人工規(guī)范場(chǎng)研究方面取得重要進(jìn)展，其首次利用回音壁模式微腔中多模相互作用，通過(guò)幾何相位控制實(shí)現(xiàn)了人工合成規(guī)范場(chǎng)，包括合成磁場(chǎng)和合成電場(chǎng)。該研究成果2021年3月22日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Physics Review Letters》上發(fā)表。

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