基于原子-腔耦合系统的全光二极管研究

Recently full-optical device have developed into the level of manipulation of quantum system. For example, optical switch and transistor have been realized to the single-photon level. However, the optical diode or isolator is still on the classical region though it reaches the requirement of low input power and high nonreciprocal transmission ratio. Our project will focus on the nonreciprocal transmission of the cavity containing atom assemble or single atom or quantum dot, which is the simplest model in quantum optics. We will analyze its difficult to achieve the optical diode, and give the solution and feasible plan to deal with it. We would like to get the nonreciprocal optical transmission based on absorption saturation nonlinear as well as the asymmetry cavity, and to realize the perfect diode when extend the absorption saturation nonlinear to bistability. The diode of nonclassical light, i.e. single photon and squeeze light, is also the purpose of this project. As high-Q cavity is not the necessary requirement for bistability, our proposal can work in the low-Q cavity and possess the advantage of wide band and short response time when compared with the previous designs based on high-Q resonator. It has promising applications on full-optical quantum processing and full-optical quantum computing.

目前全光器件的发展已进入到量子调控的阶段，基于单光子调控的光开关和三极管已得到理论和实验的验证。然而现有的全光二极管虽然已实现低功率高不对易透射比率的要求，但还没有达到单原子单光子的程度。该项目将从理论上分析基于原子/量子点-腔耦合系统的全光二极管的难点，并提出解决的办法和方案。我们拟利用单原子/量子点的吸收饱和非线性并结合不对称的微腔结构来实现不对易光传输，更重要的是拓展到双稳态实现具有低插入损耗和高不对易透射比率的高效全光二极管。我们还将利用全量子理论研究非经典光的二极管效应。由于吸收型双稳态不需要高Q腔，因此我们的设计将具有宽带宽和响应时间短的优点。该项目的研究拓展了腔量子电动力学的应用，有助于全光量子信息处理和全光量子计算方面的发展。

本课题研究了基于原子-腔耦合系统的输入输出关系，目的是实现全光二极管功能。根据研究目标，我们按计划有条不紊进行了研究工作。我们找到了原子-腔耦合系统实现输出双稳态的结构参数，包括腔壁泄漏率，原子自发辐射率，腔原子耦合系数等。随后我们研究在不对称腔镜与原子的耦合，结合双稳态，得到了全光二极管的模拟结果，即从一边入射全反，从另一边入射可以透过。理论计算表明，在单个原子存在的情况下，非互易透射对比度能达到13dB。在此基础上，我们也研究了在不对称环腔中填充二能级原子气系统，利用方向相关的双稳态性质，在经典相干光入射下实现高对比度的全光二极管，产生了对比度高达22dB的非互易传输。在原子-腔耦合系统这样一个纯净的研究平台上，我们也进行了非经典光入射时，全光二极管特性的研究，结果表明二极管效应只与入射光强有关，与入射光的量子统计性质无关，而输出光的量子统计性质，则与入射光的量子统计性质和与原子-腔耦合的非线性有密切关系，因此基于腔-原子耦合系统的全光二极管可以控制输出光的光强也能调控输出光的量子统计性质。最后我们与山西大学的张天才课题组合作，他们在实验上用透射率分别为100ppm和10ppm的镜子构成不对称腔，里面放置大约12个原子，得到了不对易的双稳态现象，实现了对比度为27db的非互易光传输，与我们的理论结果完全吻合。此外我们还在特异材料相关的量子光学问题以及新型全光器件方面做了研究，取得了丰硕的成果。