摘要
关键词
- 手性量子光学（Chiral Quantum Optics）
- 光与物质相互作用（Light-Matter Interaction）
- 纳米光子学（Nanophotonics）
- 自旋-轨道耦合（Spin-Orbit Coupling）
- 单光子设备（Single-Photon Devices）
- 量子网络（Quantum Networks）
研究背景
传统量子光学的基本假设为光与物质的相互作用是对称的。然而，在纳米光子学器件中，由于光场的横向约束，光的局部偏振方向可能与传播方向相关联，从而产生自旋-轨道耦合。这种手性耦合打破了传统量子光学中的对称性假设，允许设计具有方向性光子发射特性的器件。综述通过回顾近年来手性量子光学的发展，探讨了这一现象对量子通信、光子学器件设计及量子模拟领域的重要意义。
关键点
- 系统总结了手性光子与量子发射体之间的非对称耦合机制及其理论基础。
- 归纳了纳米光子学器件中自旋-轨道耦合的实验实现方法。
- 探讨了基于手性相互作用的非互易单光子器件设计方案。
- 综述了手性量子光学在量子网络构建与量子多体系统模拟中的应用前景。
综述内容
本文首先介绍了手性量子光学的基本理论框架，详细讨论了光与物质的相互作用如何通过纳米光子学器件的设计实现方向性耦合。随后，文章总结了实验实现方面的进展，包括利用纳米光纤、光子晶体波导等纳米光子学器件诱导自旋-轨道耦合的实验方法。此外，文章还重点探讨了手性量子光学在单光子非互易器件中的应用，例如光学隔离器与环形器的开发。最后，综述还分析了手性相互作用在量子网络中促进多发射体间量子态传输，以及在量子多体系统模拟中的潜力，如新型量子磁性相的探索。
(a) 波导中光子发射的方向性由偶极发射体的极化状态（\(\sigma^+\) 或 \(\sigma^-\)）控制。插图显示具有正交圆偏振跃迁的发射体能级结构。 (b) 单向光子传输过程中，前向光子与发射体发生相互作用并引入非互易 \(\pi\) 相移，而后向传播光子则不受影响。 (c) 光子非互易吸收的示意图，展示波导中散射光从波导模式进入非导引模式的方向依赖特性。 (d) 波导中的发射体之间通过手性光与物质相互作用实现的单向耦合机制。
(a) 光纤导模的场强分布，其中局部极化由蓝色、红色和黑色箭头表示，分别代表两个圆偏振分量和线偏振分量。光纤直径为250 nm，波长为852 nm。 (b) 光纤横截面平面中的电场旋量密度分布，箭头指示旋量方向。 (c) 光子晶体滑动平面波导中的场强分布及局部极化示意图，滑动平面设计用于增强横向旋量密度。
(a) 纳米光纤表面附近冷原子的手性耦合示意图，光纤表面附近的光子向单一方向传播。 (b) 低声波模式（Whispering-Gallery-Mode）微腔中单原子的强耦合机制。 (c) 二维光子晶体膜中的波导设计，用于耦合量子点与导模。
(a) 光子晶体波导中正反圆偏振偶极子的定向自发发射，发射强度随方向变化的分布图。 (b) 光纤与单原子系统中方向依赖的透射谱，显示前向传播光子的强耦合效应及反向传播光子的常规传输特性。
(a–d) 不同情况下（\(\beta \ll 1\) 和 \(\beta = 1\)）的光子传播方向依赖性，分别对比对称耦合与手性耦合模式下前向与后向传播光子。
(a) 基于非互易相移的单光子光学环流器示意图，显示光子在手性波导中的传输路径选择机制。 (b) 基于 \(\Lambda\)-型系统的单光子控制光开关，其设计利用了前向传播场与散射场的干涉特性。 (c) 纳米光纤中方向依赖散射特性的示意图，展示了光学二极管的实现。
(a) 通过波导实现的单向耦合两发射体的示意图，其中光子从左侧发射体传播至右侧发射体，而反向传播被禁止。 (b) 两发射体的集体态能级图，展示了手性耦合下亚辐射与超辐射态的耦合机制。
结论与展望
手性量子光学作为量子光学与纳米光子学的交叉领域，为研究光与物质非对称相互作用开辟了新路径。其理论基础和实验实现不仅为非互易光学器件提供了新方案，还为构建量子网络和研究复杂量子多体系统提供了重要工具。未来，进一步优化纳米光子学器件设计及扩展实验能力，将有助于手性量子光学在量子计算、量子通信及量子模拟中的更广泛应用。