基于布里渊散射的集成量子存储器研究

Brillouin scattering is a fundamental interaction between light and traveling acoustic waves and arises primarily from electrostriction and photoelastic effects. In our group, we have demonstrated the experiment of Brillouin-scattering-induced transparency in a high-quality whispering-gallery-mode optical microresonator. The triply resonant Stimulated Brillouin scattering process underlying the Brillouin-scattering-induced transparency greatly enhances the light-acoustic interaction, enabling the storage of light as a coherent, circulating acoustic wave with a lifetime up to 10us. Furthermore, because of the phase-matching requirement, non-reciprocal light storage and retrieval are also demonstrated. This project continually focuses on the interaction of photon and acoustic phonon in such system at the cryostat, which is useful for the quantum repeater based on the brillouin scattering system. First, this project will investigate the coupling strength between photon and acoustic phonon through optical mode tuning. Then the brillouin scattering system should be sideband cooling to the ground state in the cryostat. Then we study the interaction between single photon and phonon such as the single photon storage or single photon frequency conversion, which is very important for the quantum information processing and quantum network.These unique features establish a new avenue toward integrated all-optical switching with low-power consumption, optical isolators, and quantum memory.

布里渊散射是光波与声波在介质中传播时由电致伸缩效应而产生的光散射过程。本课题组已经在回音壁微球腔内证实了基于布里渊散射诱导的透明谱线，这正是光子与声学声子的相互作用的体现，在此基础上实现了光信息存储，寿命大于10微秒。由于光子与行波声子相互作用需要严格的相位匹配条件，非互易性的光信息存储也被证实。本项目将继续关注光子与声子相互作用，尤其是将其置于低温设备内冷却至量子基态，进行量子存储器的研究。第一，这个项目将通过调谐的方式进一步提高光子和声子的耦合强度，进行强相互耦合作用的研究，这为降低存储器的泵浦光做铺垫。其次进行半导体集成微腔的制备，置该布里渊散射体系于低温腔内并利用激光进行边带冷却。然后，我们研究量子基态的布里渊体系进行单光子存储或单光子转换存储，使其有效的成为量子存储器。这些独特的特点，可以建立全光低功耗的集成芯片上的光隔离器和量子存储器等。

腔光力学是光子和机械声子在微纳尺度的连接桥梁，将其冷却至量子基态，是研究宏观量子效应的一个体系，是一个新兴的研究领域，在国际上日益引起人们的关注。该领域还有很多的基本问题都未解决，存在许多挑战。本项目从量子信息学的发展及其实用化的需求出发，着眼于腔光力学体系在新型量子信息器件开发中的应用。我们主要研究了光子与声子的相干相互作用，尤其是光机械诱导透明现象以及非互易特性。利用光机械诱导的非互易特性，实现了多功能的非互易微腔器件：光隔离器、环形器以及定向放大器。利用应力调谐的方式，对微腔内的光学模式和机械模式进行有效的调谐，进一步实现了可调谐的微腔拉曼激光器、可调谐的滤波器。在4k的低温腔内进行微腔与光纤锥波导的耦合，保持高品质因子的光学模式的同时，测量到了高频的布里渊散射声子（11GHz），使体系的声子数低于10个，为进一步的激光冷却打下坚实的基础。这些研究为进一步探索腔光力学在量子信息领域中的研究，开发这些微腔体系在未来量子信息器件中的可能应用起到了推动作用。