近期，长江大学物电学院量子光学与信息光子学团队谷文举副教授在巨原子波导QED方面的研究取得了新进展。相关研究成果以题为“Tunable photon-photon correlations in waveguide QED systems with giant atoms”的论文发表在美国物理学会主办的自然指数期刊《Physical Review A》上，长江大学为第一单位，谷文举副教授为第一作者和通讯作者。
波导QED主要研究在量子层面上波导中受限光场与物质之间的相互作用。波导QED系统不仅能够增强光子与物质之间的耦合，还能将光子从特定方向传输至特定目标。波导QED系统在量子信息处理、量子非线性光学以及量子多体物理等领域的研究中具有广泛应用。近年来，波导QED领域提出了巨原子的概念，超越了光-原子相互作用中的偶极近似，即突破了原子大小远小于相互作用光波长的假设。巨型原子可以在多个点与光或其他玻色场耦合，这些点之间可以相隔几个波长。这样的系统既可以通过超导量子比特耦合到微波传输线或表面声波上来实现。巨型原子中的多个耦合点产生干涉效应，允许原子之间通过波导介质的相互作用进行相干交换。这可以导致诸如频率相关耦合、兰姆位移和弛豫速率等效应。将多个小原子的概念扩展为多个巨型原子，可以探索各种丰富多样的现象。
基于此，谷文举副教授研究了耦合到两个巨型原子的一维波导中两光子的散射过程。通过调整耦合点之间累积的相移，能够有效地操控这些散射光子的特性。利用Lippmann-Schwinger方法，推导了描述分离型、编织型和嵌套型配置中双光子相互作用波函数的解析表达式。基于这些波函数，能够计算出非弹性散射光谱和二阶相关函数的解析表达式。与小原子相比，由于相移的影响，由束缚态引起的非弹性散射光谱表现出更多的可调性。此外，在共振驱动下，通过调节巨原子的相位，透射和反射光场中的光子可以呈现成束聚或反束聚特性。波导QED中巨原子提供的这些独特特性有助于在量子网络中产生非经典的光子。
论文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.109.023720
