纳米光波导中的光子相干输运与量子调控

With the strong controllabilities of quantum effects at the single-photon level, nano optical waveguides have significant prospects of application in the physical realization of optical quantum information processing. The previous studies on this topic have mostly focused on the transporting photons scattered by a two-level atom (TLA) in a single optical waveguide. Nevertheless, since the transmission coefficients of the transporting photons can not be adjusted in high efficiency, it is difficult to control the transport of the resonant photon by only using the TLA coupled to the single optical waveguide. In our latest works, we proposed an approach to control the coherent transport of photons by using asymmetric couplings between the photons and the atoms. In this project, by using the quantum optical waveguide theory, we will further investigate the photons transporting along the nano optical waveguide coupled to the optical cavities with controlled three-level atoms inside. We will discuss the transmission properties of resonant photons influenced by coupling strengths, the dissipative rates of cavities, and the number of the atoms, etc.. Then, the controllability of one photon by the other through the medium of the atom coupled to double optical waveguides will be investigated. We will study two photons of different coupling strengths interacted with a two-level atom and two photons of different frequencies interacted with a three-level atom. The ways to control the transmission spectra and the two-photon correlations will also be discussed in detail (e.g., by adjusting the coupling strengths between the photons and atoms, classic pulses, and magnetic fields, etc.). It is believed that the investigations in this project could present quantum manipulation schemes of high performance for photons transporting along the nano optical waveguides, and provide theoretical supports for the designing of various novel photonic devices, like all-optical switches and single-photon frequency converters.

纳米光波导中的单光子效应具有很强的可控性，在光量子信息处理的物理实现方面具有广阔的应用前景。以前的研究工作主要考虑光子与二能级原子相互作用，由于光子的透射率难以调控，仅用二能级原子和单光波导实现光子的可控输运比较困难。我们最近的研究发现，可利用光子与原子的非对称耦合调控光子的相干输运。在本项目中，采用量子光波导理论，（1）进一步研究嵌入三能级原子的微腔与光波导耦合中的光子可控输运。探讨耦合强度、腔场耗散和原子数目等对单光子输运的影响。（2）研究在双光波导中,以原子为媒介实现光子对光子的调控。分析不同耦合强度的双光子与二能级原子的相互作用，以及不同频率的双光子与三能级原子的相互作用。研究光子与原子之间的耦合强度、外加经典控制光场和磁场等对双光子透射谱和双光子关联函数的影响。通过本项目的研究，获得纳米光导中光子相干输运的高效调控方案，为全光开关、光子频率转换器等新型光子器件的研制提供理论依据。

由于低维纳米微结构与空间电磁波之间可以形成强耦合，使其呈现出丰富多彩的量子光学效应。近年来，研究波导光子与原子或微腔的相互作用，成为当前物理学研究中最活跃和最具生命力的前沿领域之一。. 本项目研究了（1）如何利用Λ型三能级原子与单模和双模腔场的耦合来调控光子的透射谱；（2）引入附加镜子控制波导中的光子输运；（3）研究利用串联空腔实现高品质光子开关。通过对本项目的研究，取得了如下成果：. （1）利用Λ型三能级量子点-腔的耦合实现光子频率转换器和光子极化分束器。. 在本项目中，我们研究了嵌入Λ型三能级量子点的单模光子晶体微腔，对波导光子的散射特性。研究结果显示，光子的传输特性可以通过调节波导-腔和量子点-腔的耦合强度来精确控制。特别地，当具有双重简并模式的光子晶体腔与Λ型三能级原子相互作用时，光子的传输谱呈现三重Rabi劈裂，该模型可以用于实现光子频率转换器和光子极化分束器。相关研究成果已经发表，即 Phys. Rev. A 89, 033819 (2014)。. （2）精确调控Rabi劈裂和Fano共振。. 在本项目中，我们提出利用嵌入二能级原子的腔与一个外部镜子耦合，来控制一维光波中的单光子输运。数值结果显示光子传输谱中的Rabi劈裂可以通过调节腔-镜子间的耦合强度进行控制，这种劈裂甚至可以在腔-原子弱耦合时看到。同时，共振光子的传输概率可以从0调整到100%。另外，我们发现传输谱中出现的Fano共振与腔-镜子的耦合强度以及系统的耗散有关。研究的主要结果发表在Opt. Express 23, 10374 (2015)。. （3）实现理想单光子开关。. 光子开关是量子光学网络中的基本元件，被认为可以通过调控腔-原子间的相互作用或是驱动开关原子的其他能级来实现。在本项目中，我们提出了一种不同于以往的开关方案。我们的开关由三个空腔串联构成，即当三个空腔共振时，波导光子全透射；当三个空腔不共振时，波导光子全反射。还发现这种频率失谐敏感的光子开关的品质与腔-腔、腔-波导以及腔-原子间的耦合强度无关。这些富有创见的想法发表在Phys. Rev. A 94, 053816 (2016)。