中國科大開闢非互易領域新方向，實現 50dB 無量子噪聲全光隔離

來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大郭光燦院士團隊在光學非互易領域取得新進展。該團隊鄒長鈴研究組與山西大學張鵬飛、張天才教授等人合作，在原子系綜中實現了 51.5dB 的非互易隔離，是目前無磁非互易領域中的最高隔離比，並且首次探討了非互易器件中量子噪聲問題，證明了該新的全光非互易效應不會引入額外的量子噪聲。

非互易是光學領域中重要的基礎概念，由此衍生出的隔離器、環路器等都是光路中不可或缺的元件。以磁光效應圓偏雙折射為原理的法拉第隔離器因其易於搭建、隔離度高、低損耗等特性被廣泛地使用於各種光路系統中。然而在集成化的光路中，傳統的法拉第隔離器會受到種種限制：一是難以製備高性能的片上磁光介質；二是其所需的強磁場會對周圍的器件產生干擾，因此如何實現可集成的無磁非互易在近些年來倍受大家關注。

研究組利用圓偏泵浦光將氣室中的原子極化到一個特定的磁自旋態上，對不同偏振的光產生不同的吸收和色散，實現了約 30dB 的隔離比。在此基礎上，研究組加入了一個行波腔，大幅增強了光與原子之間的相互作用，最終將隔離比提高到了 51.5dB，成功地製備出了基於原子系綜的非互易介質。這套系統有較好的魯棒性，對於外界弱磁場的干擾、泵浦光頻率和功率的浮動等均不敏感，具有實際應用的價值。

▲實驗裝置圖以及非互易效果圖

此外，該研究組首次在非互易領域中提出並回答了非互易器件本身是否會產生噪聲光子的問題，通過測量相干光和偽熱光通過該系統前後的二階相干函數的改變，間接地計算出系統自身產生的噪聲光子數小於 0.0084 個（99.7% 置信），證明該系統並不會產生額外的量子噪聲。

該成果於 2021 年 4 月 22 日在國際知名期刊《自然・通訊》上發表，其在非互易領域開闢出了一個新的方向，並在實際應用中具有重要意義。相關審稿人給予高度評價：

・胡等人在實現魯棒非互易器件上解決了一個重要的挑戰，展示出了一個噪聲非常低的系統；

・實驗結果令人印象深刻，在實現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實驗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鈴教授、董春華教授和山西大學的張鵬飛教授。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃和安徽省引導專項的支持。

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

附：鄒長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：

・中國科大郭光燦院士團隊董春華研究小組與鄒長鈴博士後首次在介質微腔內實現了基於布里淵散射聲學聲子的光信息存儲，存儲壽命可達十幾微秒。該成果於 2015 年 2 月 4 日在 Nature Communications 上發表；

・中國科大郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室董春華研究小組與鄒長鈴博士後在腔光力學研究領域取得重要進展，首次在迴音壁模式微腔內觀測到基於腔光力體系的非互易光學特性，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》上發表；

・中國科大郭光燦院士團隊董春華研究組首次利用迴音壁模式微腔中腔光力的非互易特性，實現了全光控制的非互易多功能光子器件，並首次實現集成光學定向放大器。該成果於 5 月 4 日在國際權威期刊《Nature Communications》上發表；

・我校郭光燦院士團隊董春華研究組在單個微腔內構建了人工規範場研究方面取得重要進展，其首次利用迴音壁模式微腔中多模相互作用，通過幾何相位控制實現了人工合成規範場，包括合成磁場和合成電場。該研究成果 2021 年 3 月 22 日在國際學術期刊《Physics Review Letters》上發表。