新光子隔离方案，有望推动量子技术小型化

文|陈根

通常情况下，用于控制原子的激光器，需要借助隔离器来阻挡不必要的反射。然而此前在大量实验中运行良好的隔离器，已被证明难以进一步小型化。即使在最佳情况下，光也会在遇到隔离器各种表面时被反射、吸收和折射。

此外，在大型量子设备中进行光路控制是一项挑战很大的任务，其涉及到许多镜面、透镜、光纤等组件。而想要实现整体装置的小型化，也需要从多方面着手。幸运的是，过去几年，科学家们已经在微芯片的光控制元件设计方面取得了一定成果。

例如，通过制造波导（光传输通道），甚至能够利用某些材料来改变其颜色。然而要想使微小光点（光子）沿单向移动、同时抑制不需要的向后反射，依然是一件棘手的事情。

近日，从光子的独特性质出发，伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）的研究团队用铌酸锂制造了 780nm / 1550nm 波长的片上隔光器。测量结果表明，其隔离方法优于此前所有片上替代方案，且针对原子基传感器的兼容性实施了优化。

光子是光线中携带能量的粒子，一个光子能量的多少正比于光波的频率大小， 频率越高能量越高。当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道，具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。

该隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器，整体看起来像是一条长方形的跑道。一般无论光是从哪个方向射入的，都会经由波导进入谐振器，从而阻挡所有光流。但当研究人员将声波施加到环上时，谐振器就只捕获通过波导向后移动的光。在前进方向上，光会畅通无阻地通过波导。

实验结果表明，几乎每个光子都向前移动通过波导，而向后移动的几率低至万分之一。这意味着该设计已将损耗（不需要的光吸收）降低到了接近于零的水平，有效化解了此前片上隔离器长期存在的难题。

未来，该光子隔离方案有望推动量子技术的小型化。