近日，中國科學院物理研究所許秀來研究員，顧長志研究員，金奎娟研究員與北京大學的肖雲峰教授，南開大學的薄方教授等人合作，在有源光學微腔的強耦合系統中，將多量子點作為系綜並對其散射進行整體宏觀調控，以此實現了該系統的Diabolical Points（DPs）點，即厄密簡併。該成果成功將DP引入有源光學微納結構，提供了在量子光學網絡中集成拓撲計算等基於DP的量子信息處理的一種方法，因此具有廣泛的應用前景和重要的研究意義。相關成果以“Diabolical Points in Coupled Active Cavities with Quantum Emitters”在線發表在國際頂級光學期刊《Light: Science & Applications》上。文章第一作者是中國科學院物理研究所的楊靜南博士生和錢琛江博士，通訊作者為許秀來研究員。
研究背景
DP源於系統的能級在參數空間中的簡併。由於DP的拓撲相位和特殊的能量色散性質，光學結構中的DP可以為研究拓撲光學或者量子拓撲性質提供新的思路和方法。同時，量子點等量子光源與光學微腔的耦合可以實現電子-光子相干相互作用界面，是量子信息處理的重要載體。因此，如果在有源光學微腔中實現DP，則該系統就在可擴展化量子信息處理中有著廣泛的應用前景。
然而對於有源的微腔，微腔中的量子光源會作為散射體影響腔模。通常來說，可以在無源的微腔中引入少數可控的散射體，例如缺陷等，從而控制背向散射實現DP或者奇異點EP。但是，在含有多量子光源以及加工製備過程或者材料本身導致的缺陷的有源微腔中，量子光源以及缺陷的隨機分佈通常會導致對稱的背向散射並很難調控。因此，在單個有源微腔中，腔模會不再簡併而是形成平庸的本徵態。由於這些困難，目前尚未能在含有多量子光源的微腔中實現DP。
創新研究
在這項工作中，作者們將研究的對象由單個微腔拓展到耦合的雙微腔系統。單個微腔具有2維的哈密頓量，光譜上的劈裂對應著背向散射耦合強度的絕對值。而耦合雙微腔系統具有4維的哈密頓量。當調節兩個微腔之間的失諧時，其耦合行為不僅受背向散射的絕對值、同時也受其正負性的影響，並可以在光譜上體現出來。這個特點使得耦合雙微腔系統成為研究背向散射基礎的新平臺。經過理論分析，發現當兩個微腔中的背向散射耦合強度相反時，系統即會處於DP。此時在厄密簡併的本徵空間中，兩個微盤的相位存在著非線性關聯，從而使得該系統可以作為相位門的載體，實現光子信號的相位移動以及出射方向可控的激光器等應用。此外，作者還提出了通過調控雙微腔之間的距離，即微盤間耦合強度，可以進一步提高該系統的可控性與實用性。
有源微腔中的背向散射難以調控的問題是實現DP的主要難點。為了解決量子點隨機分佈導致的背向散射不可控的問題，作者提出了一種新的宏觀調控背向散射的方法。這種宏觀調控方法是基於兩種散射體之間的競爭，即量子點和微腔本身的缺陷。量子點充當高折射率的散射體而缺陷充當低折射率的散射體，對背向散射耦合強度的貢獻一般來說分別是負和正的，從而這兩種散射體之間的競爭會影響背向散射耦合強度的正負性。而且量子點分佈於整個微腔，而缺陷則主要分佈與微腔的邊界，因此二者之間的競爭與體積/面積比-即微腔的尺寸相關。因此，通過優化微腔的尺寸，實現二者相對平衡，使得背向散射的分佈近似為平均值為0的高斯分佈，並在實驗數據的統計結果中得到了證明。在這種的平衡態下，作者在一些強耦合的雙微腔系統中，通過調控兩個微腔的失諧觀測到了兩個微腔的背向散射數值相同但符號相反，並在其共振處實現了DP。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0244-9
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