近日，南科大量子科学与工程研究院全职研究员、量子研究院/物理系双聘副教授陈洁菲带领的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。他们利用一团冷原子云演示了厄米性可调的动态分束元件的干涉，即行进中的光波与定域的原子自旋波之间在原子系综中的直接干涉。此工作演示的物理模型同时适用于所有类似结构的介质和光界面，提供了一个研究非厄米量子物理的平台。此项研究成果在2019年6月以“Non-Hermitian Magnon-Photon Interference in an Atomic Ensemble”为题发表在国际物理学顶级期刊《物理快报》（Physical Review Letter）上。

通过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。在原子介质中，光的量子态通过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。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的时候，原子自旋波又可转换为光信号重新被释放出来。一直以来，人们都在寻找最有效的光学量子存储介质和机制，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。

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，即在一个光脉冲输入后或者在原子的内态相干激发出现后，它们分别都可以产生出射的光脉冲及在原子中制备的原子自旋波。这样，行进的光信号和存储的原子内态相干激发就是这个分束界面的两个相互转换的场。存储在原子基态相干性中的光能量以原子集体效应下的自旋波形式存在，且它的单量子激发态可以等效为原子中的“磁子”。这种“磁子”相当于拘禁在原子团中的光子，在读光光束的驱动作用下，它们能重新被释放为自由空间中飞行的光子。光学量子存储则是它们能进行高效的相互转换的例子，但它们之间的直接干涉却鲜有报导。若它们能直接干涉，这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。

一般来说，介质和光相互作用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。利用磁光阱冷原子系综（如图上所示）的L三能级原子内态结构，控制光与原子跃迁之间的频率差是可控，在远失谐的情况下，即驱动光场与入射光场频率与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-光界面不再是厄米系统而是开放的。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，例如，在本来是线性器件中引入双光子吸收一类的非线性效应。从厄米到非厄米原子-光界面的转变是通过控制由原子激发态能级操控的相干和非相干相互作用来实现。由此分束器得到的干涉仪得出了令人惊奇的两输出端同相的干涉图案，如图下所示。

图：原子与光界面虚拟分束元件的原理图。左上图：显示磁光阱冷原子L三能级原子内态结构。右上图：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；原子自旋波与光在原子系综中的直接干涉。左下图：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。右下图：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。

总的来说，在远失谐的情况下，即驱动光场与入射光场频率与原子跃迁频率相差甚大时，冷原子团分束元件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-光界面不再是厄米系统。这是由于原子的激发态通过自发辐射而引入了系统的能量耗散。这种能量耗散过程导致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。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。在这类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。此工作演示的物理模型同时适用于所有类似结构的物质-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，因而提供了一个研究非厄米量子物理的平台。

陈洁菲副教授、上海交通大学张卫平教授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。

供稿单位：量子科学与工程研究院

编辑：吴一敏

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