通过原子和光相互作用构成的量子界面在量子信息处理、量子网络和量子精密测量中有重要的应用价值。在量子界面中，光和原子或者类原子系统的相互作用是多样的。其中，分束器类的相互作用就是其中非常普遍而且具有重要应用的一大类，且其最重要的应用之一就是光的量子存储。在原子介质中，光的量子态通过在驱动光场的作用下转换为原子内的相干激发，或称为原子自旋波，进而有效地存储在原子的内态能量中。这种光和原子相干性的转换是可逆的；在驱动光场再度开启的时候，原子自旋波又可转换为光信号重新被释放出来。近日，陈洁菲研究员与上海交通大学张卫平教授、中国科技大学邹长玲研究员合作，由华东师范大学温荣、任志强等研究生就此问题发表了突破性的工作成果。他们利用磁光阱冷原子系综（如图1所示）演示了一个可调的非厄米分束过程，即观测到了行进中的光波与定域的原子自旋波之间的直接干涉。从厄米到非厄米原子-光界面的转变是通过控制由原子激发态能级操控的相干和非相干相互作用来实现。由此分束器得到的干涉仪得出了令人惊奇的两输出端同相的干涉图案。此项研究成果发表在Physical Review Letters上，Phys. Rev. Lett. 122, 253602 (2019)。

在这过程中，原子介质可被看作一个虚拟分束器，即在一个光脉冲或者在原子自旋波作为输入模式入射后，可同时输出透射光脉冲及在原子中制备了原子自旋波。在远失谐的情况下，即驱动光场与入射光场频率与原子跃迁频率相差甚大时，这个虚拟的分束器是一个标准厄米系统的无损分束器模型，光与原子自旋波之间满足幺正变换。但当驱动光场与原子跃迁频率相近时，这个原子-光界面不再是厄米系统。这是由于原子的激发态通过自发辐射而引入了系统的能量耗散。这种能量耗散过程导致光和原子自旋波在线性转换的过程中，出现了非厄米的耦合项。

近年来关于非厄米物理系统的研究不仅仅局限在经典光学系统，已经推广到原子系综、单量子激发等具有量子效应的系统。在这类存在耗散或增益的非厄米系统内是否仍存在有效的量子态操控是目前的热点问题。此工作演示的物理模型同时适用于所有类似结构的原子-光界面，且因热噪声得以有效控制此系统能工作在单量子水平，因而提供了一个研究非厄米量子物理的平台。

图1. 原子自旋波与光波在原子-光界面干涉的示意图。

来源：华东师范大学