【研究成果】四川大学物理学院特聘副研究员宾倩在腔量子电动力学领域取得重要进展

近日，四川大学物理学院特聘副研究员宾倩与合作者在物理领域国际顶尖期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了题为《Cavity QED Based on Strongly Localized Modes: Exponentially Enhancing Single-Atom Cooperativity》的最新研究成果。该研究提出一种新方法，显著提升了腔量子电动力学（QED）系统中的单原子协同参数，为增强量子操控提供了新路径。四川大学为论文第一完成单位，物理学院特聘副研究员宾倩为论文第一作者，华中科技大学吕新友教授为论文通讯作者，主要合作者还有华中科技大学吴颖教授、高锦华教授，浙江理工大学陈爱喜教授和日本理化学研究所Franco Nori教授。

强的光-物质相干相互作用在从量子信息处理到精密传感的诸多应用中都具有至关重要的作用。单原子协同参数刻画了腔量子电动力学（QED）系统中相干相互作用与耗散过程之间的平衡，直接决定了量子操控的可行性与效率。近年来，里德堡原子因其大电偶极矩、长寿命以及易操控等独特性质，在量子信息处理中受到广泛关注。然而，高激发的里德堡原子的大原子半径给其与纳米腔或微腔的耦合带来了挑战。相比之下，毫米或厘米量级的宏观腔更适合与里德堡原子。但多数宏观腔QED系统难以获得较高的协同参数，因为在常规的大尺度腔体中同时实现高品质因子Q和小模式体积V比较困难。

图. (a-d)不同共振模式的电场强度分布;(e-g)品质音子、模式体积、单原子协同参数。

在本研究中，研究人员提出了一种在特殊法布里–珀罗腔中实现大单原子协同参数的方法，突破了传统腔中Q与V的权衡。具体而言，通过在法布里–珀罗腔上引入“双翼”结构，并逐步增大翼的宽度，可以在不改变模式体积V的前提下，实现品质因子Q的指数级提升。这使得在传统亚波长法布里–珀罗腔中可以同时实现高Q与小V，从而带来Q/V比值以及单原子协同参数的指数增强。即便在存在镜面耗散的情况下，该结构依然能够获得超高的Q/V比值和极大的单原子协同参数。该研究所提出的结构为克服退相干、延长光子的相干操控时间提供了一种全新的平台，并在建立长距离量子通信网络，提高量子传感器的精度和稳定性以及提高量子算法的效率方面具有重要的应用潜力。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/7frd-pf1m

宾倩，四川大学特聘副研究员、博士生导师，主要从事量子物理与量子信息领域的理论研究。迄今以第一作者在Phys. Rev. Lett.（5篇）、Phys. Rev. A/B、Laser & Photonics Rev.等期刊上发表SCI论文十余篇，主持国家自然科学基金面上和青年项目、四川省自然科学基金面上项目等多项科研项目，入选四川省人才计划。