非马尔可夫系统中的单光子阻塞效应及其应用

Single-photon blockade is one of the hottest topics in quantum optics and quantum information science in recent years. It is usually divided into the conventional blockade and the unconventional one, which can be used to design single-photon source, quantum diode, and single-photon storing, etc. In our recent works, under the Markovian approximation, we have studied the conventional and unconventional single-photon blockade effects based on the phenomenological master equation. With the recent development in experimental technology, more and more strong-coupling systems are realized, whose dynamics can not be described by Markovian theory. Therefore, this project will study the theory and application of single-photon blockade effect in non-Markovian systems. The project includes the following issues: (1) Based on the microscopic model, we will derive the non-Markovian master equation for the single-photon blockade problem, and establish the theory of non-Markovian single-photon blockade, (2) we will study the influence of the initial system-environment correlation on the single-photon blockade effect, (3) we will investigate the influence of non-Markovian effects on quantum devices such as single-photon sources and quantum optical diodes. We hope that the above research will provide new ideas for the development of quantum optics theory and single-photon device, and promote the development of quantum information processing technology.

单光子阻塞（single-photon blockade）是近几年来量子光学及量子信息科学研究领域中的研究热点之一。它通常分为常规阻塞和非常规阻塞，可用于单光子源、量子二极管以及单光子存储等量子器件的设计。在近期的工作中，申请人已在马尔可夫近似下基于唯象主方程研究了常规和非常规单光子阻塞效应。近年来，随着实验技术的发展，越来越多的强耦合系统无法用马尔可夫动力学描述。因此，本项目将开展非马尔可夫（non-Markovian）系统中的单光子阻塞效应的理论以及应用研究。本项目将解决如下问题：（1）从微观模型出发推导单光子阻塞问题的非马尔可夫主方程，并建立非马尔可夫单光子阻塞理论；（2）研究系统-环境初始量子关联对单光子阻塞效应的影响；（3）探索非马尔可夫效应对单光子源和量子光学二极管等器件的影响。我们期待上述问题的研究将为量子光学理论及单光子器件的发展提供新思路，促进量子信息处理技术的发展。

单光子阻塞是近几年来量子光学及量子信息科学研究领域中的研究热点之一，其可用于单光子源、量子二极管等量子器件的设计。本项目运用萨格纳克效应，提出了一种在非线性系统中实现非互易非常规光子阻塞的方案，这个系统是由一个原子和一个旋转腔组成的。我们推导出了强反聚束的最佳解析条件，同时应用投影算符方法推导出系统与环境关联时的非马尔可夫主方程。此外，我们将上述结果推广到一般的非马尔可夫情况，发现通过控制环境光谱宽度，非互易的非常规光子阻塞表现出从非马尔可夫到马尔可夫的转变。同时，本项目也分析了驱动场的相位对光子阻塞的影响效果。我们推导了产生光子阻塞的最优化条件。通过计算二次关联函数，我们发现，驱动场的相位和振幅对光子阻塞有着明显的影响。最后，我们将上述研究结果应用到了三波混频系统，在其中研究了常规的光子阻塞。通过求解主方程，我们计算了数值结果，与解析解吻合得很好。与传统的光子阻塞方案不同，由于系统的性质，我们发现在三波混频系统的三种模式下可以同时实现光子反聚束。本课题将为利用萨格纳克效应研究非马尔可夫系统下的光子阻塞提供了新的思路和计算方法。