近日，南科大理学院量子科学与工程研究院与物理系双聘副教授陈洁菲研究团队与华东师范大学、上海交通大学、中国科技大学等密切合作，在光和原子界面研究方面取得了重要进展。相关研究成果以“Non-Hermitian Magnon-Photon Interference in an Atomic Ensemble”为题发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。 

研究团队利用一团冷原子云在量子界面中演示了厄米性可调的动态分束器的干涉，在原子系综中实现了行进中的光波与定域的原子自旋波之间的直接干涉，构建了一种新的物理模型。该物理模型同时适用于所有类似结构的介质和光界面，为非厄米量子物理研究提供了一个新的平台。

原子和光相互作用构成的量子界面在量子信息处理、量子网络和量子精密测量中有重要的应用价值。在量子界面中，光和原子或者类原子系统的相互作用是多样的。其中，以分束器为模型的相互作用就是其中非常普遍而且具有重要应用的一大类。例如，光的量子存储就是属于分束器模型的相互作用。光信号在原子界面的存储并读取过程中，原子介质可被看作一个虚拟分束器。在原子介质这个虚拟分束器中，光信号（“飞行的光子”）在驱动光场的作用下转换为原子内的相干激发，或称为原子自旋波，进而有效地存储在原子的内态相干激发能量中，成为“储存的光子”。这种光和原子相干性的转换是可逆的，即在驱动光场再度开启时，原子自旋波又可转换为光信号重新被释放出来。一直以来，人们的研究重点都在寻找最有效的光存储介质和机制，而忽略了“存储的光子”与“飞行光子”之间的不可区分性与关联性，它们之间的直接干涉也鲜有报导。若它们能直接干涉，将证明“飞行的光子”与“存储的光子”在光和原子界面能进行直接的量子态操控。

图1：原子与光界面虚拟分束元件的原理图。

左图为磁光阱冷原子L三能级原子内态结构；右图为存储光子与飞行光子在磁子-光子分束器(MPBS)中的混合合束的原理图。

图2：原子自旋波与光在原子系综中的直接干涉。左图为光与原子自旋波干涉后的输出光强与干涉相位的关系图；右图为在非厄米分束器中不同的额外相位下，光场与原子自旋波的关系图。

一般来说，介质和光相互作用的界面是固定不可控制的。但原子系综具有丰富的能级结构，而对比热原子系综，冷原子系综具有高度可控的光和原子激发强度。研究人员利用磁光阱冷原子系综（如图1所示）的L三能级原子内态结构，让光和原子跃迁之间的频率差可控，构造了一种光-原子虚拟分束器。如图2所示，在远失谐的情况下，即驱动光场与入射光场频率、原子跃迁频率相差甚大时，这个虚拟的分束器是一个标准厄米系统的无损分束器模型，光与原子自旋波之间满足幺正变换。但当驱动光场与原子跃迁频率相近时，这个原子-光界面则变成了一个开放的非厄米系统。这是由于原子的激发态通过自发辐射引入了系统的能量耗散。这种能量的耗散不仅仅引起能量下降，更重要的还能影响光子在界面中的统计分布，促使光和原子自旋波在线性转换的过程中出现了非厄米的耦合项。在这个过程中，研究人员巧妙地利用磁光阱冷原子系综的独特性质，操控了原子激发态能级的相干和非相干相互作用，实现了系统从厄米到非厄米原子-光界面的转变，由此获得了令人惊奇的两输出端同相的干涉图案。

近年来关于非厄米物理系统的研究不仅仅局限在经典光学系统，已经推广到原子系综、单量子激发等具有量子效应的系统。存在耗散或增益的非厄米系统内是否仍存在有效的量子态操控是目前的热点问题。研究者介绍，此工作演示的物理模型同时适用于所有类似结构的原子-光界面，且因热噪声得以有效控制，此系统能工作在单量子水平，因而为非厄米量子物理的研究开拓了新的空间。

陈洁菲与上海交通大学教授张卫平为该工作的通讯作者，华东师范大学博士研究生温荣是第一作者。该工作得到了广东省、深圳市、南方科技大学，尤其是科技部重点专项、国家自然科学基金等的大力支持。

论文链接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.253602

供稿单位：量子科学与工程研究院

通讯员：刘芳璐

编辑：吴一敏