近年来，随着量子技术的不断发展，有效的操控单光子的量子态可以为量子信息处理提供潜在的应用，因而受到了人们的广泛关注。在原子—波导耦合系统中，波导光子与原子发生强相互作用，为研究量子非线性光学，实现光子—光子的相互作用提供了可能性。
左图：在一维波导中，单光子与外加光场驱动原子的相互作用示意图；右图：单光子量子传输的基频透射谱。
本文研究了单频波导光子与V型三能级原子的两个跃迁通道均能发生耦合跃迁这一普适情况下，原子的两个上能级被外加驱动场耦合并影响单光子传输的物理效应。在外加驱动场的超强耦合作用下，原子能级发生拉比劈裂，入射光子经历不同的虚拟原子跃迁路径并产生量子干涉效应。在旋波近似不再适用的条件下，通过改变入射光子的频率和外加驱动场的拉比频率，可以在单光子量子传输过程中实现单光子频率关联态的制备以及单向的频率转换。本研究工作可以在一个搭建好的原子—波导实验平台内实现多种功能，为集成光子学中单光子态频率操控的工程实现提供了理论基础。此外，通过引入可调谐的外加驱动场，推动了全光操控的单光子量子态的发展。
图（a-c）：单光子频率关联态的制备；图（d）：单光子频率转换的实现。
物理与天文学院博士生肖瀚和博士后王珞珈为本论文的共同第一作者，袁璐琦特别研究员为通讯作者，合作者为上海交通大学陈险峰教授。此研究工作得到了国家自然科学基金（No. 11974245）、国家重点研究计划项目（No. 2018YFA0306301, 2017YFA0303701）、上海自然科学基金（No. 19ZR1475700）的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00263
