講座內容：集成光非互易傳輸比如光子隔離在集成光學和量子光學中有重要應用，但也一直是一個挑戰性難題。傳統光非互易器件是通過塊體磁光材料外加磁場來實現，或者利用光學非線性材料或對材料施加時變調控。這些傳統方法可以用于隔離經典光。由于單光子電磁場太弱，這些方法往往失效。光——物質量子相互作用為調控光子傳播提供了有力手段。我們基于手性腔和波導量子電動力學原理提出了兩個單光子隔離器方案和一個單光子回旋器方案[1]。我們利用一個V型原子與手性光學腔和光波導耦合。手性腔和波導中，光子偏振（即自旋）與光子傳播方向有關。利用偏振選擇特性，原子與相向傳播的光子有不同耦合，構成手性量子光學系統，打破時間反演對稱，實現光子非互易傳輸。在沒有外加磁場作用下可以隔離單光子反射。將原子制備在不同初始量子態，我們還可以反轉器件光非互易行為。如果原子制備在量子糾纏態，這種光非互易特性也會糾纏。我們的單光子隔離器和回旋器方案已經被著名維也納量子科技中心Arno Raushenbeutel教授小組實驗演示[2,3]。他們的工作多次被媒體報道。我們的單光子回旋器也被認為是兩個僅有的方案之一[4]。

[1] Keyu Xia et al., “Reversible nonmagneticsingle-photon isolation using unbalanced quantum coupling”, Phys. Rev. A 90, 043802(2014).

[2] C. Sayrin et al., “Nanophotonic Optical IsolatorControlled by the Internal State of Cold Atoms”, Phys. Rev. X 5, 041036 (2015).

[3] Michael Scheucher et al, “Quantum optical circulatorcontrolled by a single chirally coupled atom”, Science 354, 1577 (2016).

[4] Peter Lodahl et al., “Chiral quantum optics” Nature(London), 541, 473 (2017).