新观察到的效应使原子对某些频率的光透明

诸平

Artist's visualization of a laser striking atoms in an optical cavity. Credit: Ella Maru Studio

据美国加州理工学院（California Institute of Technology）2023年4月27日提供的消息，新观察到的效应使原子对某些频率的光透明（Newly observed effect makes atoms transparent to certain frequencies of light）。

一种新发现的现象被称为“集体诱导透明”（"collectively induced transparency"简称CIT），它能使原子群突然停止反射特定频率的光。CIT的发现是通过将钇原子封闭在一个光腔（optical cavity）内（实际上是一个光的小盒子），然后用激光对其进行爆破。虽然激光会从原子上反射到一定的点，但随着光频率的调整，就会出现一个透明窗口，光可以不受阻碍地通过腔体。相关研究结果于2023年4月26日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Mi Lei, Rikuto Fukumori, Jake Rochman, Bihui Zhu, Manuel Endres, Joonhee Choi, Andrei Faraon. Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters. Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05884-1. Published: 26 April 2023. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05884-1

参与此项研究的除了来自美国加州理工学院（California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA）的研究人员之外、还有来自美国俄克拉荷马大学（The University of Oklahoma, Norman, OK, USA）的研究人员。

加州理工学院毕业生安德烈·法拉翁（Andrei Faraon, BS'04）、威廉·瓦伦丁（William L. Valentine）应用物理和电子工程学教授，他也是2023年4月26日在《自然》（Nature）杂志上发表的关于这一发现的论文的通讯作者。安德烈·法拉翁说：“我们的研究主要是为了找出原因。”

对透明窗口的分析表明，它是原子团和光在空腔中相互作用的结果。这种现象类似于相消干涉（destructive interference），即来自两个或更多个源的波可以相互抵消。原子团不断吸收和重新发射光，这通常会导致激光的反射。然而，在CIT频率下，一组原子中每个原子重新发射的光形成了一种平衡，导致反射率下降。

“一个原子的集合与同一个光场强耦合会导致意想不到的结果，”加州理工学院的研究生、上述论文的共同主要作者雷觅（Mi Lei音译）说。

这种光学谐振器的长度只有20 μm，功能部件小于1 μm，由加州理工学院的卡夫利纳米科学研究所（Kavli Nanoscience Institute at Caltech）制造。

“通过传统的量子光学测量技术，我们发现我们的系统已经达到了一个未知的状态，揭示了新的物理现象，”论文的主要作者之一、研究生Rikuto Fukumori说。

除了透明现象（transparency phenomenon）之外，研究人员还观察到，与单个原子相比，聚集的原子吸收和发射激光的速度或快或慢，取决于激光的强度。这些过程称为超辐射（superradiance）和次辐射（subradiance），由于存在大量的量子粒子（quantum particles）相互作用，人们对它们的基本物理原理仍然知之甚少。

共同通讯作者、加州理工学院前博士后、现斯坦福大学助理教授Joonhee Choi说：“我们能够监测和控制纳米尺度的量子力学光—物质相互作用。”

虽然这项研究主要是基础性的，并且拓展了我们对神秘的量子效应世界的理解，但这项发现有可能有朝一日为更高效的量子存储器铺平道路，在量子存储器中信息被存储在一个紧密耦合的原子中。安德烈·法拉翁还致力于通过操纵多个钒原子的相互作用来创造量子存储器。

“除了存储器，这些实验系统还为量子计算机之间未来的连接发展提供了重要的见解，”物理学教授、罗森博格学者（Rosenberg Scholar）、也是该研究的合著者之一曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）说。

这项工作得到了美国能源部、科学办公室、国家量子信息科学研究中心、量子优势协同设计中心{ US Department of Energy, Office of Science, National Quantum Information Science Research Centers, Co-design Center for Quantum Advantage (contract number DE-SC0012704)}；量子信息与物质研究所、美国国家科学基金会物理前沿中心(Institute for Quantum Information and Matter, an NSF Physics Frontiers Center PHY-1733907)的支持，并得到了摩尔基金会（Moore Foundation）和美国海军研究办公室（Office of Naval Research awards no. N00014-19-1-2182 and N00014-22-1-2422）以及美国陆军研究办公室MURI项目(Army Research Office MURI programme W911NF2010136)的支持或资助。另外还有埃德尔曼研究生奖学金（Eddleman Graduate Fellowship）、日本学生支援机构 (Japan Student Services Organization简称JASSO)研究生奖学金（JASSO Graduate Scholarship）、加拿大自然科学与工程研究委员会(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada简称NSERC, PGSD3-502844-2017)以及美国加州理工学院量子信息与物质研究所（Institute for Quantum Information and Matter简称IQIM）博士后奖学金（IQIM Postdoctoral Fellowship）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Chaining atoms together yields quantum storage

Abstract

Quantum emitters coupled to optical resonators are quintessential systems for exploring fundamental phenomena in cavity quantum electrodynamics (cQED)¹ and are commonly used in quantum devices acting as qubits, memories and transducers². Many previous experimental cQED studies have focused on regimes in which a small number of identical emitters interact with a weak external drive^3,4,5,6, such that the system can be described with simple, effective models. However, the dynamics of a disordered, many-body quantum system subject to a strong drive have not been fully explored, despite its importance and potential in quantum applications^7,8,9,10. Here we study how a large, inhomogeneously broadened ensemble of solid-state emitters coupled with high cooperativity to a nanophotonic resonator behaves under strong excitation. We discover a sharp, collectively induced transparency (CIT) in the cavity reflection spectrum, resulting from quantum interference and collective response induced by the interplay between driven inhomogeneous emitters and cavity photons. Furthermore, coherent excitation within the CIT window leads to highly nonlinear optical emission, spanning from fast superradiance to slow subradiance¹¹. These phenomena in the many-body cQED regime enable new mechanisms for achieving slow light¹² and frequency referencing, pave a way towards solid-state superradiant lasers¹³ and inform the development of ensemble-based quantum interconnects^9,10.