最近，湖南师范大学景辉教授课题组在非互易量子光学研究中取得重要进展。景辉教授提出并首次揭示依赖方向的光子阻塞效应，为进一步研究单光子水平的手性量子器件奠定了基础。

互易性，指同一信号输入下，当输入端口与输出端口互换位置时，输出不因这种互换而有所改变的性质。这种双向传输对称性通常被认为是物理系统的一个基本性质。然而，近年来科学家期望打破这种对称性，以构造非互易的人工光声电器件，应用于隐形传感、隐形斗篷或噪声屏蔽通信等诸多新奇技术。

最近，景辉教授课题组基于旋转腔的非互易量子光学研究取得一系列重要成果。早在2017年，该课题组提出利用旋转腔实现非互易光延迟；2018年，课题组与以色列理工学院研究人员合作，在实验上观察到旋转腔非互易光透射现象；同年，景辉教授还进一步提出旋转腔微纳粒子传感新原理，突破了传统静止腔微粒探测极限，实现对微粒或病毒的超高灵敏度探测。然而这些研究都是针对旋转腔光学经典特性的操控，没有涉及更奇妙的量子涨落效应。

实际上，目前非互易光学研究大多也是对光学经典特性的操控，主要涉及宏观粒子数的平均行为，对纯量子非互易效应的研究很少。光子阻塞，正是一种典型的量子效应。1997年，“光子阻塞”术语被第一次提出，它是指由于强非线性打破了系统能级结构的简谐性，导致系统只能吸收一个光子，阻碍后续光子进入系统的现象。直到这个光子被放出，系统才能吸收下一个光子，因此可以实现单光子源。2005年，光子阻塞效应在光腔与单个原子耦合系统中首次被实现，之后人们在纯光学系统、光力系统、超导回路等系统中持续探索这种现象。2017年，双光子阻塞在腔量子电动力学（QED）系统中被实现，即系统一次只能吸收两个光子。

图1 同样的激光从相反方向进入旋转腔，实现不一样的量子效应。能级结构表明了这种量子非互易性的产生机制。(a) 光从左边入射，发生单光子阻塞；(b) 光从右边入射，发生光子诱导隧穿。

随着量子信息科学的快速发展，单光子水平的非互易量子器件成为有重要应用价值的研究课题。景辉教授课题组通过旋转的克尔非线性光腔，利用Sagnac效应，首次揭示了非互易的光子阻塞效应，实现了依赖方向的量子光操纵。当固定光腔的旋转方向时，从相反方向进入腔内的光会经历不同的频移，其中沿着腔旋转方向的光频率会变得更低；逆着腔旋转方向的光频率会变得更高。这是因为沿着腔旋转方向传播的光，比逆着腔旋转方向传播的光，走过的路程更长；根据相对论的光速不变原理，腔内光场的频率会发生改变，这就是Sagnac效应。从系统能级来看，对于旋转克尔腔，由克尔非线性导致的能级非简谐性会被Sagnac效应进一步调制，从而可以实现激光从左边入射，满足单光子阻塞的产生条件，光子倾向以均匀的时间间隔，一个一个地到达探测器，光场表现出非经典的亚泊松分布；同样频率的激光从右边入射，满足光子诱导隧穿的产生条件，多数光子倾向于同一时刻全部到达探测器，光场表现出类经典的超泊松分布（如图1所示）。该结果不仅为探究经典和量子世界的过渡与共存等基础科学问题提供了新方向，也对单向纯量子光源或纯量子调控等技术实现提供了新方案。

图2 解析和数值计算结果表明：静止腔中不存在量子非互易性（绿色）；当腔旋转时，在黄色色带对应频率范围内，光从左边入射，二阶关联函数远小于1，表现为非经典的亚泊松分布，即发生单光子阻塞（红色）；光从右边入射，二阶关联函数远大于1，表现为类经典的超泊松分布，即发生光子诱导隧穿（蓝色）。

更有趣的是，通过改变输入光的频率和功率，该器件还能实现激光从左边入射，产生双光子阻塞；激光从右边入射，产生光子诱导隧穿[如图3（a）所示]。甚至还可以实现左边进入的光，发生单光子阻塞；右边进入的光，发生双光子阻塞[如图3（b）所示]。旋转克尔腔结构简单，原理具有普适性，可进一步推广到腔QED或光力体系。

图3 光学关联函数和光子数分布概率结果均可以表明：对于旋转腔，(a) 光从左边入射，可以实现双光子阻塞（橙色）；同一激光从右边入射，可以实现光子诱导隧穿（蓝色）。(b) 光从左边入射，可以实现单光子阻塞（橙色）；光从右边入射，可以实现双光子阻塞（蓝色）。

相关研究成果以Nonreciprocal Photon Blockade为题发表在 Physical Review Letters [121, 153601 (2018)] 上，第一作者为黄然，通讯作者为景辉教授。合作者包括波兰波兹南密茨凯维奇大学Adam Miranowicz教授，湖南师范大学廖洁桥教授，日本理化学所Franco Nori教授。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.153601