光子的本质是玻色子，这意味着多个光子可以同时占有同样量子态而互不干扰。光子的这一特性被广泛应用于光纤通信中，来实现高通量的信息传递。但是，如果要用光实现经典或量子信息处理，则需要光子之间具有较强烈的相互作用强度，来实现对数据信息的编辑和操控。
一直以来，人们利用高度非线性的介质来实现光子之间的强相互作用，利用非线性光学中的高阶光子束缚态来实现光频率转换、光学调制、光放大和传感等光学信息处理。然而，光子束缚态本身的色散和动力学演化过程的研究却一直是空白。
鉴于此，近日来自巴塞尔大学、汉诺威莱布尼兹大学、悉尼大学和波鸿鲁尔大学的科学家们在Nature Physics上以“Photon bound state dynamics from a single artificial atom”为题报道了对光子束缚态研究的重要突破。
他们利用人工原子（与光学腔耦合的半导体量子点）成功观测到光束与人工原子之间的相互作用过程，证明了单光子以及双光子和三光子束缚态产生不同的时间延迟，基于人工原子实现了对量子光束的精密操纵。这项工作不仅首次观测到了高阶光子束缚态的动力学演化过程，也为量子光场操纵提供了新的思路，为光量子技术的进一步发展创造了巨大的潜力。
图1：利用单个人工原子的强非线性相互作用操控量子光束。实验中，一束高斯光脉冲被发射到循环器中，循环器将脉冲引导到量子点中，并通过量子点耦合到单侧微腔。在与量子点-腔系统相互作用时，具有不同光子数的光会以不同的时间延迟通过系统传输。
图源：Nature Physics (2023).
人工原子是一种具有原子特性的人造结构，通常由半导体量子点构成，可以实现原子与光子的强烈耦合。而光束作为光子流，在信息传输方面具有独特优势，广泛应用于光纤通信和量子信息处理等领域。在量子物理领域，光子与单个双能级原子之间的相互作用是一个基础性的科学问题。
在本次研究中，科学家们成功地利用一个半导体量子点与光学腔耦合的双能级人工原子，直接观测到了光束与该人工原子相互作用的动态过程。实验发现，光束与人工原子之间的相互作用会导致光束出现不同的传播时间延迟，即光束的传播速度受到相互作用的影响。这一现象揭示了光束中存在的一种称为光束缚态的强关联准粒子。
光束缚态是一种由两个或更多光子组成的强关联态，这些光子间的相互作用非常紧密，以至于在某个时刻观测到一个光子后，下一个光子的到达概率将远高于随机时间的到达概率。
光束缚态与普通光束的关键区别在于，光束缚态具有自己的色散关系，是描述非线性介质的基本哈密顿量的特征态。通过利用光束缚态的特性，可以实现光束的有效操纵，为光子量子技术的应用提供新的可能性。
本研究的实验装置通过一个循环器引导高斯脉冲光进入单边量子点-腔体系统。光被反射回循环器，并通过另一个端口输出，接着进入一个单光子检测器。为了实现光束与人工原子之间的相互作用，科学家们将量子点的发射频率调整至与光束的中心频率相匹配。这使得光束能与量子点之间的电磁场产生共振，并与人工原子耦合。
图2：光子数与光脉冲散射的关系。
图源：Nature Physics (2023).
在实验中，科学家们观察到，当光束与人工原子之间的相互作用强度增大时，光束的传播速度明显降低，同时，光束在单光子检测器上的到达时间间隔也变得更加规律。这些现象表明，光束中的光子在经过与人工原子的相互作用后，形成了光束缚态。
通过对光束缚态的进一步研究，科学家们发现，光束缚态的传播速度受到人工原子与光束之间相互作用强度的影响，这为实现光束的动态调控提供了可能。通过调整人工原子与光束之间的耦合强度，可以实现光束缚态的传播速度的调节，从而实现光束的操纵。
这一研究结果在光量子技术领域具有重要意义。首先，实现光束的有效操纵为光量子计算和通信等应用提供了新的工具。例如，在量子通信中，可以通过调控光束缚态的传播速度来实现信号的加密与解密。其次，光束缚态的发现为研究光子之间的强关联相互作用提供了新的平台，有望为实现光子量子计算的高度并行性提供理论指导。
图3：单光子和双光子束缚态的延迟色散。
图源：Nature Physics (2023).
这项研究在量子信息、光量子网络和量子光学传感等领域具有重要的应用潜力。
首先，光束缚态的研究为量子信息处理与存储提供了新的可能性。通过调控光束与人工原子之间的相互作用，可以实现量子比特（qubit）之间的有效交换和操作，从而为构建光量子计算机提供关键技术支持。此外，利用人工原子与光束之间的相互作用，还可以实现量子存储器的构建，进一步提升量子信息处理的能力。
第二，这项研究为实现光子在光纤网络中的动态调控提供了新的途径。光量子网络是量子互联网的基础设施，它依赖于光子之间的有效操纵与控制。这项研究有助于提高量子网络的带宽利用率和信息传输效率。此外，光束缚态还可用于实现量子中继器的构建，从而扩大量子网络的覆盖范围。
第三，利用人工原子操纵量子光的技术也可应用于光量子传感领域。通过调节光束缚态的传播速度，可以实现对光束中的信息进行高灵敏度检测和分析，从而为生物检测、环境监测等领域提供新的传感手段。
最后，这一光束缚态的研究为实现光学开关与调制器提供了新的思路。通过调控光束与人工原子之间的相互作用强度，可以实现对光束的开关与调制，从而为光通信系统、光互联等应用提供关键技术支持。
尽管这项研究在光量子技术领域具有重要意义，但目前仍有许多挑战需要克服。首先，实现光束与人工原子之间的高效耦合仍是一个关键技术难题。此外，实现光束的高度并行操作和动态调控也需要进一步研究。未来，随着这些技术难题的攻克，我们有理由相信，利用人工原子操纵量子光的技术将为光量子技术的发展带来更多的机遇与挑战。
总之，通过利用人工原子操纵量子光，科学家们成功地观测到了光束与人工原子之间的相互作用，并揭示了光束缚态的存在。这一研究结果为光束的操纵和光量子技术的进一步发展提供了新的思路，为实现更高效的光量子计算和通信等应用奠定了基础，有望为下一代量子信息技术带来革命性的变革。
论文信息
Natasha Tomm, Sahand Mahmoodian, Nadia O. Antoniadis, Rüdiger Schott, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Alisa Javadi & Richard J. Warburton, Photon bound state dynamics from a single artificial atom. Nature Physics (2023).
https://doi.org/10.1038/s41567-023-01997-6
