Realization of waveguide many-body quantum optics

本文通过在纳米光子结构中相干耦合多个固态人造原子，实现了波导中的多体量子光学，从而借助可扩展的光与物质相互作用，实现了高阶光子关联（如真正的三光子关联）的确定性产生与控制。

要点

想象光不是一束像花园水管那样平滑、连续的波束，而是一股由一个个微小的弹珠组成的洪流，这些弹珠被称为光子。在量子物理的世界里，这些弹珠通常互不交流，只是径直穿过彼此。但如果你能让它们相互作用、相互弹开，甚至以同步的群体形式共舞呢？这正是量子光学的目标。

本文描述了一项突破：研究人员利用一种由光和物质构成的特殊“舞池”，成功使多组光粒子彼此相互作用。

设置：光的单行道

将纳米光子波导想象成嵌入玻璃内部的一条微观单行道。在这条公路的两侧，研究人员放置了微小的量子点，它们被称为人造原子。

通常，如果你将一颗弹珠（光子）扔进这条公路，它会径直滚过。但这些量子点就像夜店里的保镖。它们可以抓住一颗弹珠，将其短暂扣留，然后释放。如果只有一名保镖，他们一次只能处理一颗弹珠。如果两颗弹珠同时到达，保镖就会应接不暇，相互作用也就变得简单。

魔法技巧：团队协作成就梦想

研究人员的一大创新是让多名保镖（量子点）在同一条公路上协同工作。

1. 单个保镖（一个原子）：当他们只使用一个量子点时，它就像一个标准的守门人。它可以反射一颗弹珠或让一颗通过，但无法产生复杂的群体行为。
2. 保镖团队（两个原子）：当他们调整两个量子点使其作为一个团队工作时，神奇的事情发生了。这两个点形成了一个“集体”单元。
   • 类比：想象一个两人小组试图接住弹珠。他们可以轻松一起接住两颗弹珠。但如果第三颗弹珠到来，团队已经满了。他们无法接住它。相反，团队因第三颗弹珠的出现而兴奋，突然朝特定方向喷发出一股弹珠。
   • 结果：研究人员观察到，当他们向这两个点发射光时，系统自然地过滤掉了单颗和双颗弹珠。相反，它产生了一种罕见的、同步的三颗弹珠同时到达的爆发。这就是他们所称的“真正的三光子关联”。

“超辐射爆发”

本文将这一事件描述为"超辐射爆发"。

• 想象一个拥挤的房间：如果一个人鼓掌，那只是一声掌声。如果两个人完美同步地鼓掌，声音会更大。但如果一群人，大家都手拉手，因为第三个人进入房间而兴奋，突然一起鼓掌，就会产生巨大的、同步的雷鸣般的掌声。
• 在实验中，两个量子点吸收了两颗光子（弹珠）并变得“满员”。当第三颗光子到达时，它触发了整个团队向前方同时释放三颗光子的爆发，同时将“剩余”的单颗光子向后发送。

扩展规模：增加更多舞者

研究人员并未止步于两个。他们展示了可以将第三个量子点加入其中。

• 正如增加第二名保镖改变了两颗弹珠的规则一样，增加第三名保镖也改变了三颗弹珠的规则。
• 他们证明，通过增加更多的发射体（保镖），他们可以逐个弹珠地控制光。如果你有 m 个发射体，系统自然地倾向于生成 m+1 个光子的群体。

为何这很重要（根据论文）

论文声称，这是**“多体量子光学”**的开端。

• 以前：科学家主要只能一次控制一个粒子，或者控制简单的成对粒子。
• 现在：他们拥有一种可扩展的方式来控制粒子群体。他们可以设计光，使其具有特定的、复杂的关联（例如三颗弹珠以特定节奏同时撞击墙壁），而这些在自然界中并不会发生。

总结

简单来说，研究人员建造了一条微观公路，并在其中放置了人造原子团队。通过让这些原子协同工作，他们将这条公路变成了一台机器，输入一束光，输出高度同步的、复杂的光粒子群体。他们证明，通过向团队添加更多原子，他们可以控制越来越大的光粒子群体，从而打开了创造此前无法实现的新型量子态的大门。

技术摘要

技术摘要：波导多体量子光学的实现

问题与动机
逐光子地控制光子是量子光学的核心，其根本依赖于光子通过耦合到原子而介导的光子相互作用。尽管光子 - 光子非线性相互作用的概念验证（如光子阻塞和双光子输运）已在原子和固态系统中实现，但将这一范式扩展到以确定性且可扩展的方式辐射耦合多个独立原子，仍然是一个重大挑战。要进入多体量子动力学的领域，需要针对明确数量的粒子实现强相干多光子相互作用。作者旨在实现一种设置，在其中多个发射体与光子之间的相互作用可在单个粒子层面进行控制，从而开启多体量子光学的领域。

方法论
研究人员利用了高效的光 - 物质波导相互作用，将数量可控的固态人造原子（量子点，QDs）嵌入光子晶体波导（PCW）中。

• 器件架构：该器件具有双面 PCW，中心刻有浅沟槽，允许通过斯塔克效应对两侧的量子点进行独立的电控制。第三个发射体可通过外部磁场进行塞曼调谐以进入共振。
• 耦合机制：发射体通过波导模式耦合，产生长程偶极 - 偶极相互作用（可达 $r = 26\lambda$），这在一维几何结构中有效地将典型的 $1/r^3$ 相互作用转化为无限程相互作用。发射体之间的耦合相位被调谐至 $\phi = 0.8\pi$，使系统处于色散耦合与耗散耦合之间的中间机制。
• 实验方案：团队将弱相干光脉冲（$\langle n \rangle \leq 0.1$）散射到发射体上。他们比较了两种构型：具有单个共振量子点（二能级系统）的参考情况，以及具有两个或三个耦合共振量子点（多能级系统）的多体情况。
• 测量：散射场被分成三个探测通道，以测量高达三阶的时间相关性（$g^{(3)}$）。数据使用雅可比坐标进行分析，以分离质心运动与相对时间坐标。作者利用单脉冲、部分相关脉冲和不相关脉冲的测量，区分了“连通”（真实多体）和“非连通”（低阶）的相关分量。

主要贡献与结果

1. 真实三光子相关性的观测：通过耦合两个量子点，作者展示了前向传播场中真实三光子相关性的产生。虽然单个量子点主要表现出双光子相关性，但耦合对抑制了低阶分量并增强了三光子分量。具体而言，连通三光子相关函数的零延迟值 $g_c^{(3)}(0,0)$ 从单个量子点的 $0.83(5)$ 增加到耦合对的 $4.3(2)$。
2. 超辐射爆发的机制：增强的相关性源于特定的相互作用路径：前两个光子将集体耦合的发射体激发到双激发态，第三个光子从该布居态刺激爆发式发射（超辐射）。这导致了强相关光子的时间爆发。
3. 方向性滤波：系统表现出独特的方向性行为。在反向方向上，耦合发射体反射双光子分量（由于共振双光子过程），但抑制三光子反射（因为两个发射体无法同时反射三个光子）。相反，前向方向显示出增强的三光子相关性，同时抑制低阶分量。
4. 可扩展性：该研究成功将系统扩展到三个共振量子发射体。透射测量表明，透射的抑制（增强的反射）随发射体数量 $m$ 缩放，与 $m=1$ 相比，$m=2$ 和 $m=3$ 观察到更深的透射凹陷。
5. 理论验证：实验结果与理论模拟高度一致，理论预测前向场中连通相关性 $g_c^{(n)}$ 的最高值在 $n = m+1$ 时实现。

意义与主张
该论文声称展示了“波导量子电动力学中多体量子光学的开端”。其主要意义在于能够逐个发射体和逐个光子地构建非平衡多体系统。作者指出，这些进展使得以下成为可能：

• 构建多体纠缠态。
• 探索新颖的量子相变。
• 实现新型光子量子模拟器。

这项工作确立了一条可扩展的途径，以实现量子非线性光学，其中量子发射体的数量直接控制光子相关性的阶数，从而超越了复杂态的序列生成，转向通过同时多光子相互作用直接形成强相关态。作者指出，虽然目前的绝对相关性数值较为有限（受限于光谱扩散和探测器抖动），但通过耦合发射体的数量来控制相关性的基本原理是稳健且可扩展的。