固态连续系统中无腔布里渊强耦合的实现

《Nature Physics》：Cavity-less Brillouin strong coupling in a solid-state continuous system

　　

两个系统之间的强耦合（strong coupling）允许它们在系统退相干之前交换相干信息。这种光-物质相互作用（light–matter interaction）中的重要机制主要已在光学谐振腔（optical resonator）配置中实现。研究人员展示了在无腔配置中，光场与声场在连续模式（continuum of modes）内、单次通过光学波导（optical waveguide）后的强耦合。低温下高非线性光纤（highly nonlinear fibre）中的反斯托克斯布里渊-曼德尔施塔姆散射（anti-Stokes Brillouin–Mandelstam scattering）这一基本物理效应，使研究人员能够在波导场景中实验证明强耦合。研究人员展示了光声（optoacoustic）光谱响应的分裂，并引入了一种通过强制失谐（forced detuning）测量混合光声模式（hybrid optoacoustic modes）避让交叉（avoided crossing）的技术。这一演示为波导系统中基于声波的内联量子信号处理（in-line acoustic-wave-based quantum signal processing）开辟了道路。

这项发表在《Nature Physics》上的研究，报道了在无腔配置下，通过布里渊-曼德尔施塔姆散射在光波导中实现光场与声学声子强耦合的实验结果。强耦合（strong coupling）允许两个耦合系统在退相干前相干地交换信息，是光-物质相互作用中的重要机制。以往，强耦合几乎全部在光学谐振腔中实现，光在腔内循环数百万次以增强耦合；而在波导中光仅单次通过，实现强耦合更为困难。波导中声学模式谱接近连续，与谐振腔的离散窄共振不同。因此，无腔波导中的强耦合此前尚未被证实。本研究旨在填补这一空白。

研究人员选用一段高非线性光纤（highly nonlinear fibre, HNLF）作为样品，将其置于4 K低温恒温器中。该光纤与单模光纤类似但纤芯掺锗更高，光学损耗γ_dB=0.001 dB m^?1，折射率n=1.48，光学耗散速率γ_opt=13±2 MHz。低温下，布里渊增益G_B(4 K)=6±1 W^?1 m^?1，机械耗散速率Γ_m(4 K)=9.93±0.12 MHz，这有利于进入强耦合区域。研究采用了两项关键技术：其一是泵浦-探针实验，通过低功率探针扫频并利用锁相放大检测，获得高信噪比的共振谱；其二是研究人员引入的强制失谐（forced detuning）测量技术，将泵浦-探针的频率扫描与光谱检测相结合，能够观察无腔系统中的失谐谱和避让交叉（avoided crossing）。理论分析基于动态连续量子光声学模型，与实验吻合。

研究结果包括两部分。

一、共振状态下的强耦合测量（In-resonance measurement of strong coupling）

通过泵浦-探针实验，研究人员在低泵浦功率下（耦合强度g_om=8±3 MHz）观察到单个洛伦兹线形的反斯托克斯（anti-Stokes）共振，其中心频率Ω_B/2π=9.5997±0.0001 GHz，表明系统处于弱耦合。随着泵浦功率增加，g_om增大，系统进入强耦合区域，共振峰分裂为两个峰。当g_om=75±2 MHz时，最大分裂宽度2δ_split=26.7 MHz。两峰形状不对称，外坡为洛伦兹形，内坡更陡。理论模拟与实验数据一致。研究人员构造了连续系统中反斯托克斯光子和声学声子的包络玻色算符，得到光束分裂型相互作用哈密顿量；当g_om > (γ_opt+Γ_m)/2=11 MHz时，正常模式分裂（normal-mode splitting）变得可观察，这等同于谐振腔中的避让交叉。

二、强制失谐测量（Forced detuning measurement）

为了直接观察避让交叉，研究人员设计了强制失谐实验。将波长为1,550 nm的激光分成三路：本振（LO）、泵浦和探针。探针经电光调制产生边带ω_pump+Δ_probe并扫过布里渊共振；泵浦经掺铒光纤放大器放大至高功率。两束光进入低温样品，后向散射信号经滤波后由外差检测记录。在强耦合条件下（g_om=68±2 MHz），低功率探针被强烈耗尽，光谱中出现明显的避让交叉，能量从高频混合光声模式（Ω_B+δ_split）转移到低频混合模式（Ω_B?δ_split）。理论模拟重现了该现象。相比之下，弱耦合时（g_om=4±3 MHz）无分裂，探针几乎不被耗尽。进一步改变探针失谐量Δ_det=Δ_probe?Ω_B，发现红失谐（?4.1 MHz）时能量更集中于高频模式，共振（?0.1 MHz）时两峰高度对称，蓝失谐（3.9 MHz）时能量转移到低频模式，符合绝热跃迁的预期。此外，泵浦功率增加会使避让交叉的间隙变宽，而温度升高则因Γ_m增大和G_B降低而抬高强耦合阈值。

讨论与结论

该工作表明，强耦合并非必然依赖谐振腔。在无腔波导中，由于布里渊-曼德尔施塔姆散射的自动相位匹配，系统在硅玻璃的透射窗口内始终处于共振状态，这提供了宽频带工作能力，适用于频率梳等信号处理场景。实验中最大协同性（cooperativity）为C^max=(2g_om^max)²/(γ_optΓ_m)=179±2。在T≈4 K、声学频率Ω_B/2π≈9.6 GHz下，热声子占据约十个。若将泵浦功率提升至约5 W，耦合系统有望进入量子相干耦合区域。泵浦耗尽可能限制量子耦合，但可通过降低耦合损耗或采用更低机械耗散温度的材料来克服。与以往仅在单一或多个分立模式上建立强耦合不同，本研究在连续模式的反斯托克斯光子和声学声子之间实现了强耦合，这为量子信息处理、纠缠分发、量子计算和精密测量等应用提供了基础，并为单程、内联的连续变量量子信号处理和存储开辟了道路。结合神经形态计算的新进展，该发现还可能推动由声学振动控制的量子神经网络研究。

原文研究结论翻译如下：在本工作中，研究人员展示了在光纤中实现光声强耦合的可行性，表明可以规避光机械腔的实验复杂性，且无需极端低温或精确失谐控制。该系统在硅玻璃透射窗口内天然处于共振状态。观测到的正常模式分裂和避让交叉源于4 K下光子与声子群之间的强耦合，最大协同性为179±2。实验中的热声子占据约为十个。在泵浦功率增加到约5 W的条件下，耦合系统有潜力进入量子相干耦合区域。该实验结果是实现连续光声系统中光子-声子相互作用相干控制的关键一步，并使波导平台成为非经典态制备、量子转导、量子存储和量子传感等量子技术的重要候选。特别地，研究为单程、内联连续变量量子信号处理与存储开辟了道路，并可能在未来与神经形态计算结合，探索一类由声学振动控制的量子神经网络。