在国家自然科学基金项目（批准号：11634008, 11674203, 11574187）等的资助下，山西大学张天才教授和李刚教授团队，在单原子量子操控及腔量子电动力学研究方面取得了新进展。部分理论的合作者包括井冈山大学的夏秀文副教授，中国人民大学的张芃教授、同济大学的许静平教授和羊亚平教授。相关成果分别以“Realization of Nonlinear Optical Non-reciprocity on a Few-Photon Level Based on Atoms Strongly Coupled to an Asymmetric Cavity”（强耦合腔量子电动力学系统中少光子水平的非线性光学非互易的实现）和“Triply Magic Conditions for Microwave Transition of Optically Trapped Alkali-Metal Atoms”（碱金属原子光学囚禁中微波跃迁的三重魔术条件）为题，于2019年12月4日和12月20日相继在Physical Review Letters（《物理评论快报》）上在线发表。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.233604和https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.253602。
受控单个中性原子以及单个原子与光学腔强耦合相互作用是构建原子阵列并演示量子模拟、量子信息处理及量子计算等的重要系统，也是研究光与物质相互作用的重要平台。原子相干性的提高对推进上述研究具有重要意义。目前单原子量子操控和应用主要基于基态两个超精细态进行，其相干性受到原子运动所导致的非均匀退相干以及由囚禁光场和外部磁场起伏等引起的均匀退相干因素的影响，相干时间通常被限制在百毫秒以下。针对不同的退相干机制和原子态，人们提出了某些特殊条件下，即所谓“魔术条件”（Magic condition），原子的退相干可被有效抑制，从而大幅提高相干寿命。然而，要进一步提高原子的相干性，需要寻找某种能够同时抑制多种退相干机制的有效方法。
山西大学张天才教授和李刚教授研究团队最近提出了一种全新的“三重魔术条件”（Triply magic conditions）方案并在实验上得到验证。该方案巧妙地利用简并双光子过程产生的光频移补偿单光子过程引起的光频移，在一定条件下，可以实现退相干对囚禁光场频率、强度以及外部磁场均不敏感的“三重魔术条件”，从而大幅提高原子的相干性。该团队在实验上利用波长为1079纳米的激光构建了一个尺度为2.5微米的光镊，成功把冷却到2微开的单个铯原子俘获长达46秒，并利用该系统验证了“三重魔术条件”的可行性，初步将单个原子的相干时间提高到6秒。利用该方法有望进一步将原子的相干时间提高到分钟量级。这一方法也可以推广应用到包括铷原子在内的其他碱金属原子，实现原子退相干的有效抑制。
该团队建立了一套原子与光学微腔强耦合相互作用的实验系统，通过光学冷却和操控原子技术，把冷原子控制在微光学腔内，实现了原子与光学腔的强耦合。利用强耦合腔量子电动力学系统中强非线性效应，实现了几个光子水平的光学非互易传输。单个光子在单个原子与腔之间相互交换，每秒钟可达五百五十万次。利用该系统的强烈非线性和非对称腔的特点，实验上获得了低至3.8个腔内平均光子的光学非互易传输。这种在几个光子水平下的光学非互易传输，工作窗口可以通过控制原子的数目进行调节，实验上获得了最高达30dB的阻塞率。这是基于光学非线性效应的目前国际上具有最小工作功率和最大阻塞率的光学非互易系统。基于该实验系统的机制可以应用到通过基于芯片的回音壁模式腔或光纤腔，实现基于芯片的超低功耗光二极管。基于强耦合腔量子电动力学系统完成的该实验，为实现极弱光的无磁非线性光学非互易传输提供了新的途径，同时该系统在量子态的产生、量子感知和精密测量方面具有重要的应用前景。
图1 强耦合腔量子电动力学实验装置图（左）和基于非对称腔中原子非线性的光学非互易传输方案（右）
图2 非对称强耦合腔QED系统中光场传输方向不同时的双稳现象（左），其中阴影部分为非线性光学非互易窗口；不同原子数对应的正向传输光的透射效率和反向光的阻塞效率（右）