导读

当物质周围的电磁环境改变时，物质的辐射特性和能级结构都会受到调制。将发射体置于光学谐振腔中，若发射体与光腔交换能量的速率大于系统损耗率，则称发射体与腔内光子发生强耦合。

其中，单发射体与光腔的强耦合是实现量子纠缠、存储和处理量子信息的重要手段。但是，由于单个发射体的物理尺寸与其辐射波长相比非常小，发射体与光子的作用充分，实现强耦合仍有困难。

现有手段主要依赖于提高光腔的品质因数（Q值）或光学态密度。高Q值谐振腔可以使每个光子在被损耗之前在腔壁间反射多次，通过提高与发射体的作用次数来提升耦合强度，但要求系统工作在高真空的低温环境中防止频率漂移。提升光学态密度等价于压缩模式体积，即每个光子被局域在极小的空间中，从而提升单光子对应的电场强度，进而提升与发射体的耦合强度；但要实现对光子的有效局域常常需要等离激元等高耗散结构，带来额外的问题，其极小的模式体积也使得发射体的加工定位困难。

近日，清华大学精密仪器系孙洪波教授和林琳涵副教授团队提出了通过波导辅助能量子转移（WEQT）技术来扩大单发射体与光腔的相互作用截面，从而提升耦合强度，为实现单发射体强耦合开辟了新的技术路线。

相关成果以“Tunable single emitter-cavity coupling strength through waveguide-assisted energy quantum transfer”为题发表于Light: Science & Applications。

既然单个发射体与光腔的耦合强度很小，那大家首先想到的思路就是使用多个发射体，即使每个发射体与光腔的耦合强度都很小，总体的耦合强度也不容小觑。可以用武侠小说中的战力来比拟来比拟发射体的耦合强度。单人战力不过一千的少林方丈对战力起码上万的张三丰说：“少林寺中千百名和尚一拥而上，你也未必能把少林寺给挑了”，集体的力量可见一斑。若是群体之间有配合（如多个发射体之间是相干的，偶极电场是振幅叠加而不是强度叠加），则效果更为可怕：全真七子结成“天罡北斗阵”，互相配合打得天下五绝之一的黄药师“求胜不得，欲罢不能”。

虽然集体效应恐怖如斯，但量子技术中常常需要操控单个发射体，单发射体的拉比振荡、光子阻塞效应等都不能在集体耦合中实现。任你打群架厉害，但是现在就是要从人群中揪出一个人来单挑：袁绍率领十八路诸侯矫诏讨董，兵力占优，却被华雄挡住无法前进，因为大家都很讲武德，必须要单挑赢了才率大军跟进。传统实现单发射体强耦合的途径，虽然原理不同，但其实都相当于直接在单兵战力上下功夫。但如果思维不那么僵化，那么单挑的时候己方队友也可以发挥观众之外的作用：如同任我行与人对掌即将败落之时，靠吸星大法吸几个日月神教的弟子，战斗之中实现战力跃升，成功越阶杀敌。

在发射体-光腔耦合体系中可以与上述论述类比来设计提升单发射体耦合强度。该团队设计的WEQT体系如图1所示。为了提升单个发射体A的耦合强度，将N个辅助发射体B与A放置在同一个光腔中。此时，所有发射体均与光腔有耦合。为了增强A与腔的耦合强度，所有发射体均与一个一维波导相耦合。在特定的排列和耦合强度设置下，从光腔耦合到B的能量会转移到A，再耦合到光腔。因此，B和波导的存在，相当于在A与光腔之间提供了额外的耦合通道，此即“波导辅助能量子转移”的内涵。这个体系中，A和B的地位不是平等的，B的存在如同被任我行吸干的“工具人”一样，就是为了提高A与光腔的相互作用截面。

图1：波导辅助能量子转移（WEQT）实现单发射体A与光腔的强耦合示意图

通过该方案，研究者发现可以将单发射体与光腔的等效耦合强度提升10倍以上，使得光腔透射谱发生明显的拉比分裂。可以想象，发射体与波导的耦合强度直接决定了该方案中增强效果的上限。图2中画出了发射体A与波导耦合强度不同时的等效参数计算和光腔透射谱。可以看到，随着与波导耦合强度的提高，A与光腔的等效耦合强度也随之提高，直观表现为光谱拉比分裂变大。

同时，辅助B还可以用作其他功能。考察B起作用的具体过程：腔内一份能量子首先耦合到B，在B之间相互耦合，最后耦合到A，从而实现A与光腔之间的间接耦合通道。在该耦合通道中，寄生损耗不能被忽略，即，如果从光腔耦合到B的能量子在转移到A或返回到光腔之前被耗散，则腔的耗散率将增加。对A的耗散率也可以类似地分析。因此，在图2中，我们看到，随着与波导的耦合强度加大，WEQT效应更加明显，在单发射体等效耦合强度提升的同时，光腔的耗散率也有较为明显的提升。

图2：A与波导耦合强度不同时的等效参数计算和光腔透射谱

在该工作中，作者研究了通过控制B的内部能级跃迁，来控制间接耦合通道提供给A的等效耗散速率。利用WEQT效应对耗散的影响，可以调控单发射体强-弱耦合的转变，进而实现光子门的设计。如图3所示，在B处能级u时，A与光腔弱耦合，光腔的共振波长处反射率接近0；当B处于能级c时，A与光腔强耦合，光腔的共振波长处反射率急剧提高，并且反射相位发生Π的跃变。

图3：通过调节辅助发射体B的量子态实现光子门控制

该工作提出的WEQT效应提供了一种实现单发射体与光腔强耦合的新途径。利用该途径，可以降低对极端腔的设计和制造要求，并为片上量子操作带来新的自由度。该概念可以扩展到各种集成光子学和量子计算系统的应用中。另一方面，用于在波导上精确定位辅助发射体和精确控制其频率匹配的技术仍远未成熟，有待未来的实验设计优化来突破这些技术挑战。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.10‍38/s41377-024-01508-z