导读
光子由于几乎不存在天然相互作用 ，被普遍认为是量子信息处理和量子通信中最理想的载体之一。然而 ，正是这种“弱相互作用 ”的内禀特性，使得在单光子层面实现确定性的光子—光子相互作用成为量子光学与量子信息领域长期面临的核心挑战 。尤其对于空间光模式不重叠 、传播路径分离的光子 ，传统依赖干涉或直接空间重叠的调控手段难以奏效 ，因此，如何实现单光子的非局域调控 ，一直是量子光信息处理中的关键科学问题之一 。
近日 ， 华中科技大学国家精密重力测量科学中心李霖教授课题组 在里德堡原子光量子调控方向取得重要研究进展。研究团队围绕一个基础而前沿的问题展开系统探索：在空间上传播路径完全分离 、从未发生直接相遇的光子之间，是否能够实现有效且可控的相互作用？团队将结构光场与里德堡原子强相互作用体系相结合，提出并实验实现了一种全新的“非局域”光子操控方案：利用一个单光子 ，实现了对分离路径上传播的上百个光子的有效调控 ，成功构建了增益高达 151 的单光子晶体管 。
该研究成果发表于 Physical Review Letters ，题为“ Nonlocal switch and transistor between single photons ” 。 华中科技大学为该工作第一完成单位 ，博士后廖忍、博士生宋泽瑞和博士后叶根生为该论文的共同第一作者 ，李霖教授与叶根生为通讯作者。主要合作者还包括博士生余建昊以及北京量子信息科学研究院常越研究员 。
图1：非局域单光子晶体管示意图
图源：华中科技大学
基于结构光场的非局域单光子调控新构型
光子开关和单光子晶体管是量子光学和量子信息处理领域的核心功能器件，其作用类似于经典电子学中的开关与晶体管 ，可由单个光子控制大量其他光子的传播行为 ，被视为实现全光量子逻辑运算和高并行量子网络的重要基础 。
近年来，基于里德堡原子的强相互作用 ，研究人员已在单光子开关和单光子晶体管等方向取得一系列重要进展。然而 ，在现有方案中，门控光子与被控光子通常占据相同或高度重叠的空间模式 ，目标光子之间不可避免地产生自阻塞效应（self-blockade） ，从而限制了器件在高光子数条件下的工作性能。
为突破这一性能瓶颈，研究团队引入结构光场这一全新的调控自由度 。在该方案中，门控光子采用中心传播的高斯模式并存储于原子云中心 ，而目标光子则被制备为具有环形强度分布的轨道角动量模式 ，二者在空间上形成一种“中心—环绕”的非局域几何构型 。
这一构型的关键优势在于：一方面，结构光场的环形分布显著增大了目标光子之间的平均空间距离 ，使得它们之间以范德华相互作用为主导的自阻塞效应迅速减弱；另一方面 ，位于原子云中心的门控光子仍可通过随距离衰减更慢的偶极—偶极相互作用，对环形分布的传输光子施加强而稳定的调控。由此 ，该方案在不削弱门控调节能力的前提下 ，有效抑制了传输光子之间的相互“干扰 ” 。
实验结果进一步表明，通过调节结构光场的空间构型 ，可以连续改变目标光子的空间分布 ，从而实现对自阻塞效应的精细调控 。这一基于“空间模式工程 ”的调控手段，为里德堡量子光学体系引入了新的可控维度。
图2：非局域光量子器件设计方案
图源： Phys. Rev. Lett. 135, 260803
非局域单光子开关与高增益单光子晶体管的实现
于上述非局域几何构型 ，研究团队进一步在实验中实现了高性能的单光子开关和单光子晶体管功能 。在单光子开关实验中 ，单个门控光子即可对目标光子的透射产生显著抑制作用；随着结构光场空间模式的增大，器件在高光子数条件下仍能保持稳定 、可重复的开关行为，展现出相比传统高斯模式方案更强的鲁棒性 。
在单光子晶体管实验中 ，研究团队重点研究了器件的增益特性。通过进一步优化实验参数 ，并利用结构光场有效降低目标光子之间的自阻塞效应，在平均门控光子数约为 0.3 的条件下 ，成功实现了增益高达 151 的单光子晶体管 。在相同实验平台和相近实验条件下 ，该数值约为传统高斯模式方案的三倍，清晰展示了非局域结构光场在多光子调控中的显著优势 。
图3：单光子开关与单光子晶体管实验结果
图源： Phys. Rev. Lett. 135, 260803
值得注意的是 ，这一性能提升并非依赖于提高原子密度或改变实验几何尺度 ，而是源于对光子空间模式本身的精确设计，充分体现了结构光在量子器件工程中的独特潜力。
总结与展望
该工作的创新之处在于 ，将结构光场作为核心设计要素引入里德堡单光子器件之中 ，通过构建非局域的光子空间构型，实现了单光子非线性效应的显著增强与精细调控 。利用结构光场和里德堡原子耦合实现光子—光子相互作用的精细调控 ，突破了传统方案中光子自阻塞与互阻塞难以兼顾的限制 。
这一成果为可扩展光量子信息处理 、高并行度量子逻辑操作以及里德堡原子体系中的多光子量子态制备提供了新的技术路径。结合结构光在高维量子信息编码中的优势 ，相关研究有望在分布式量子计算、多光子纠缠态制备等前沿方向发挥重要作用。
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评论列表（4条）
我是视听号的签约作者“忆海”！
希望本篇文章《PRL|实现“从未相遇”光子的非局域量子调控》能对你有所帮助！
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