|作 者：胡長生1 呂新友2,?

(1 安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院）

(2 華中科技大學(xué)物理學(xué)院)

本文選自《物理》2026年第2期

摘要文章介紹了近年來基于腔量子電動(dòng)力學(xué)理論的光與物質(zhì)相互作用研究，該領(lǐng)域已超越傳統(tǒng)的“對(duì)話”模式，進(jìn)入“超強(qiáng)耦合”的深度相融機(jī)制。光與物質(zhì)不再僅是相互交換能量的獨(dú)立個(gè)體，而是通過強(qiáng)相互作用“捆綁”在一起，形成了一個(gè)不可分割的、兼具光與物質(zhì)雙重屬性的極化子，使系統(tǒng)表現(xiàn)出新奇量子特性，例如基態(tài)糾纏、虛激發(fā)等。半導(dǎo)體量子阱、超導(dǎo)電路和腔磁系統(tǒng)等多種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相繼實(shí)現(xiàn)并觀測到超強(qiáng)耦合效應(yīng)，為理論預(yù)測提供了關(guān)鍵驗(yàn)證。超強(qiáng)耦合腔量子電動(dòng)力學(xué)理論不僅推動(dòng)了量子信息處理、精密測量及拓?fù)涔庾訉W(xué)等前沿領(lǐng)域的發(fā)展，其研究正逐步從現(xiàn)象觀測與表征轉(zhuǎn)向?qū)︸詈蠎B(tài)的有效調(diào)控與功能應(yīng)用探索，未來將在基礎(chǔ)科學(xué)與交叉應(yīng)用方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞腔量子電動(dòng)力學(xué)，超強(qiáng)耦合，基態(tài)糾纏，Rabi模型

01

引 言

早期有關(guān)光與物質(zhì)相互作用的研究主要集中于原子、分子在自由空間中的發(fā)光行為，其相互作用強(qiáng)度通常較弱，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的高效調(diào)控[1]。因此，如何增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用一直是該領(lǐng)域的重要研究方向。光學(xué)腔能夠?qū)⒐庾娱L時(shí)間局域在極小的空間體積內(nèi)，從而顯著提升局域光場強(qiáng)度。將原子等物質(zhì)置于具有高品質(zhì)因數(shù)(

Q

值)和小模式體積的光學(xué)腔中時(shí)，光與物質(zhì)的耦合強(qiáng)度得以顯著增強(qiáng)。早期的光學(xué)腔結(jié)構(gòu)多采用由兩個(gè)高反射鏡面構(gòu)成的法布里—珀羅腔，用于研究原子與光子的耦合，形成了腔量子電動(dòng)力學(xué)(腔QED)的研究體系 [2] 。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)日趨多樣化，涌現(xiàn)出光子晶體腔、回音壁模式腔等多種新型結(jié)構(gòu) [3—5] 。利用不同類型的光學(xué)腔不僅可將光子限制在亞波長尺度，還能實(shí)現(xiàn)極小的模式體積，從而大幅增強(qiáng)光場強(qiáng)度，將腔QED系統(tǒng)中的光與物質(zhì)相互作用從弱耦合機(jī)制增強(qiáng)至強(qiáng)耦合機(jī)制。此外，基于腔QED理論的光與物質(zhì)相互作用不再局限于光學(xué)波段，還可拓展至微波、太赫茲等頻段，并與量子比特、磁子、機(jī)械振動(dòng)等多種體系發(fā)生相互作用，極大地拓寬了腔QED理論的研究范疇 [6—8] 。

基于腔QED理論的光與物質(zhì)強(qiáng)耦合機(jī)制已在多個(gè)前沿領(lǐng)域得到廣泛研究，其應(yīng)用涵蓋量子信息處理、高效能量傳輸與量子化學(xué)模擬等重要方向[9—11]。隨著理論與實(shí)驗(yàn)的深入，該研究逐漸拓展至光與物質(zhì)相互作用的超強(qiáng)耦合區(qū)域。超強(qiáng)耦合指的是光與物質(zhì)之間的耦合強(qiáng)度達(dá)到與系統(tǒng)本征頻率相當(dāng)?shù)乃剑藭r(shí)耦合不僅顯著超過系統(tǒng)的本征損耗，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)基態(tài)性質(zhì)產(chǎn)生可觀測的影響，例如引起真空Bloch—Siegert位移和基態(tài)能級(jí)修正[12]。在該機(jī)制下，系統(tǒng)可呈現(xiàn)出一系列新穎的物理現(xiàn)象，如動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)[13]、超輻射相變[14]以及高效率發(fā)光行為[15]，這些現(xiàn)象引起了實(shí)驗(yàn)界的廣泛關(guān)注，并推動(dòng)了多種物理系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)耦合強(qiáng)度方面的持續(xù)進(jìn)展[16，17]。實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合通常要求系統(tǒng)裝置具備極高的光場局域能力，為此研究人員發(fā)展了如等離激元納米腔和超材料腔等新型結(jié)構(gòu)。目前，超強(qiáng)耦合現(xiàn)象已在半導(dǎo)體腔、超導(dǎo)電路、腔磁子體系以及光力學(xué)系統(tǒng)等多種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中得到觀測與驗(yàn)證[17—20]。

超強(qiáng)耦合研究不僅推動(dòng)了基礎(chǔ)物理的突破，更展現(xiàn)出跨領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。在量子信息領(lǐng)域，超強(qiáng)耦合系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)量子比特間的高效耦合提供了新途徑，為量子模擬與量子計(jì)算搭建了極具潛力的研究平臺(tái)[21]。在化學(xué)領(lǐng)域，超強(qiáng)耦合可以改變化學(xué)反應(yīng)的路徑與速率。例如，光腔中的集體振動(dòng)強(qiáng)耦合可以重構(gòu)能量轉(zhuǎn)移路徑，顯著加快振動(dòng)弛豫速率，這為綠色化學(xué)與精準(zhǔn)分子合成提供了新工具[11]。此外，在拓?fù)涔庾訉W(xué)和非厄米物理等前沿研究方面，借助超強(qiáng)耦合機(jī)制還可以誘導(dǎo)出一些新奇物理現(xiàn)象，如奇異點(diǎn)、拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)等，為設(shè)計(jì)新型光學(xué)器件開辟了空間[22—24]。本文將綜述腔QED系統(tǒng)在超強(qiáng)耦合方面的研究進(jìn)展。首先，將基于基本的量子光學(xué)模型，闡述超強(qiáng)耦合機(jī)制下系統(tǒng)表現(xiàn)出的獨(dú)特物理性質(zhì)；隨后，詳細(xì)介紹包括超導(dǎo)電路、光學(xué)腔等在內(nèi)的多種實(shí)驗(yàn)體系及其應(yīng)用；最后，對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望。

02

理論基礎(chǔ)

Rabi模型是腔量子電動(dòng)力學(xué)理論研究中一個(gè)最典型的案例，也是研究光與物質(zhì)相互作用的基本模型之一，它描述了一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)與一個(gè)單模量子化光場之間的耦合行為。該模型亦可推廣至其他二能級(jí)系統(tǒng)與電磁場相互作用的一般情形。本文將基于Rabi模型及其拓展的多原子Dicke模型，重點(diǎn)研究在超強(qiáng)耦合機(jī)制下，腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的量子特性。

2.1　基本模型

2.1.1　量子Rabi模型

圖1(a)展示了一個(gè)由光學(xué)腔模與原子相互作用構(gòu)成的腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Rabi模型的哈密頓量描述()：

分別表示原子躍遷頻率和光場共振頻率；是描述原子的泡利算符，其中|

g

>和|

e

>分別表示二能級(jí)原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)；

a

a

? 分別表示光場的湮滅和產(chǎn)生算符，滿足基本對(duì)易關(guān)系[

a

a

?] =1；

e

g

|表示原子躍遷上升算符，

-是

+的厄米共軛算符。表示光場和二能級(jí)原子的相互作用耦合強(qiáng)度，其中

表示原子兩個(gè)能級(jí)間的躍遷偶極矩，

0是真空介電常數(shù)，

V

m

表示電磁場的模式體積。(1)式中所描述的Rabi模型的哈密頓量可以在許多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，比如超導(dǎo)電路系統(tǒng)、腔量子點(diǎn)耦合系統(tǒng)等 [18，25] 。

圖1　腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng) (a)光場與單個(gè)原子相互作用，光與原子間耦合強(qiáng)度為

；(b)光場與原子系綜相互作用，耦合強(qiáng)度 表示單個(gè)原子與光場的相互作用；(c)Rabi模型最低能級(jí)(+

g

2 /

，實(shí)線)與JC模型(虛線)中相應(yīng)能級(jí)隨

的變化關(guān)系 [27] 。在

達(dá)到Juddian點(diǎn)(紅點(diǎn)標(biāo)記)前這兩個(gè)模型的能級(jí)分布是一致的；(d)不同原子數(shù)下，Dicke模型中平均光子數(shù)隨

的變化關(guān)系[29]

當(dāng)耦合強(qiáng)度與電磁場的共振頻率之比滿足

?1，(1)式中的反旋轉(zhuǎn)項(xiàng)

a

+和

aσ

-會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能量不守恒，從而可以將其忽略，(1)式就約化為一個(gè)Jaynes—Cummings(JC)型的哈密頓量。當(dāng)不考慮外界環(huán)境作用時(shí)，系統(tǒng)激發(fā)數(shù)是守恒的。在共振條件下，且滿足

?1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)形成不同的綴飾能級(jí)，同一激發(fā)下的能級(jí)發(fā)生劈裂，能級(jí)劈裂間距正比于耦合強(qiáng)度、激發(fā)數(shù)；此時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生量子Rabi振蕩，振蕩頻率取決于能級(jí)劈裂程度。當(dāng)光場初始處于真空態(tài)時(shí)，則表現(xiàn)為真空Rabi振蕩。值得一提的是，只有在強(qiáng)耦合條件下，即系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度大于系統(tǒng)的耗散強(qiáng)度，系統(tǒng)才能夠表現(xiàn)出量子Rabi振蕩的行為，否則能量將在原子和光場間的交換未完成一個(gè)完整周期前就損耗掉。而在弱耦合條件下，系統(tǒng)則主要表現(xiàn)為Purcell效應(yīng)，此時(shí)自發(fā)輻射率可以得到進(jìn)一步增強(qiáng)，耦合強(qiáng)度越大原子自發(fā)輻射率越大，但是當(dāng)耦合達(dá)到強(qiáng)耦合機(jī)制時(shí)，Purcell效應(yīng)則可忽略不計(jì) [26] 。

近幾十年來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論研究方法的不斷進(jìn)步，光—物質(zhì)相互作用的研究已經(jīng)開始進(jìn)入超強(qiáng)耦合機(jī)制(0.1≤

≤1)和深強(qiáng)耦合機(jī)制(

>1)，并且受到人們的廣泛關(guān)注 [21，27，28] 。當(dāng)耦合強(qiáng)度滿足

>0.1時(shí)，(1)式中所示Rabi模型哈密頓量中的反旋轉(zhuǎn)項(xiàng)不能被忽略，并展現(xiàn)出一些在弱耦合和強(qiáng)耦合機(jī)制下觀測不到的新現(xiàn)象，這些新現(xiàn)象在量子信息等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。超強(qiáng)耦合機(jī)制還可進(jìn)一步劃分為微擾機(jī)制(0.1≤

≤0.3)和非微擾機(jī)制(0.3≤

≤1) [27] 。在微擾區(qū)域反旋轉(zhuǎn)項(xiàng)仍可被當(dāng)作微擾來處理，將其視作非共振的驅(qū)動(dòng)場，(1)式可以近似為一個(gè)Bloch—Siegert(BS)哈密頓量 [12，21] 。本質(zhì)上BS哈密頓量相當(dāng)于是JC哈密頓量關(guān)于

的二階修正，此時(shí)系統(tǒng)激發(fā)數(shù)也是守恒的。在同一激發(fā)子空間中系統(tǒng)的本征態(tài)也是由兩個(gè)綴飾態(tài)構(gòu)成，這兩個(gè)綴飾態(tài)能級(jí)差與耦合強(qiáng)度、激發(fā)數(shù)、

成正比。

圖1(c)給出了Rabi模型和JC模型能譜隨歸一化耦合強(qiáng)度

的變化關(guān)系。從中可以看出，這兩個(gè)模型在耦合強(qiáng)度

達(dá)到Juddian點(diǎn)前是一致的，在Juddian點(diǎn)處相鄰子空間的能譜出現(xiàn)交叉，表明當(dāng)

小于Juddian點(diǎn)對(duì)應(yīng)的耦合強(qiáng)度時(shí)，將

作為小參數(shù)的微擾理論是非常有效的。注意在此參數(shù)范圍內(nèi)，雖然JC哈密頓量和BS哈密頓 量的能譜基本是一致的，但是這兩種哈密頓量是在不同的參數(shù)條件下得到的近似結(jié)果，它們所展現(xiàn)出的量子特性截然不同。當(dāng)

進(jìn)入超強(qiáng)耦合機(jī)制，且越過Juddian點(diǎn)時(shí)，微擾法不再適用，此時(shí)Rabi模型的能譜不再有解析形式，但可以通過數(shù)值模擬進(jìn)行定量分析。同時(shí)在超強(qiáng)耦合機(jī)制下，仍可以通過數(shù)值分析和哈密頓量的對(duì)稱特性近似給出特定參數(shù)條件下Rabi哈密頓量的基態(tài)解析式。

2.1.2　量子Dicke模型

進(jìn)一步拓展Rabi模型使光場與多個(gè)二能級(jí)原子發(fā)生集體相互作用，即所謂的Dicke模型，它也是基于腔量子電動(dòng)力學(xué)理論研究光與物質(zhì)集體相互作用的基本模型之一。增強(qiáng)光與原子耦合強(qiáng)度到超強(qiáng)耦合機(jī)制，Dicke系統(tǒng)則可以展現(xiàn)出超輻射量子相變[29]。超輻射可以產(chǎn)生強(qiáng)關(guān)聯(lián)光子態(tài)和壓縮態(tài)，在量子信息處理中有應(yīng)用潛力。圖1(b)給出了光學(xué)腔模與原子系綜耦合的示意圖，系統(tǒng)哈密頓量與(1)式相比只是將相互作用部分變?yōu)?img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2026%2F0304%2Ffbb6aa4ep00tbcre2000bd200dz0042g00dz0042.png&thumbnail=660x2147483647&quality=80&type=jpg" width="503" height="146" onload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
，從而構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Dicke哈密頓量。為了簡便，假設(shè)光場與二能級(jí)原子共振。

N

表示原子個(gè)數(shù)，是由描述第

i

個(gè)原子的泡利算符 構(gòu)成的集體算符。在弱耦合下，反旋波項(xiàng)可以忽略掉，將相互作用部分約化為，得到一個(gè)Tavis—Cummings(TC)型的哈密頓量，其本征能譜可以解析求解。超強(qiáng)耦合機(jī)制下，由于反旋波項(xiàng)的存在，Dicke哈密頓量的本征能譜不容易求解；但當(dāng)N→∞時(shí)，隨著耦合強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷一次二階量子相變，從正常相進(jìn)入到超輻射項(xiàng)，且相變前后系統(tǒng)的本征能譜都可解析求解。在正常相中光子場的相干布居為零，而在超輻射相中光場的相干布居不為零且隨著耦合強(qiáng)度的增大而增大，如圖1(d)所示。

2.2　超強(qiáng)耦合機(jī)制下的系統(tǒng)特性

超強(qiáng)耦合機(jī)制下，系統(tǒng)的能譜結(jié)構(gòu)將發(fā)生根本性重構(gòu)。傳統(tǒng)JC模型描述的真空Rabi分裂被打破，能級(jí)呈現(xiàn)出顯著的非諧特征。在Dicke模型中，當(dāng)耦合強(qiáng)度超越臨界值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生量子相變，從正常相過渡到超輻射相。旋波近似完全失效，反旋波項(xiàng)變得不可忽略，使得系統(tǒng)不再保持激發(fā)數(shù)守恒，導(dǎo)致能量本征態(tài)成為不同激發(fā)數(shù)態(tài)的疊加，極大地豐富了系統(tǒng)的量子特性。

2.2.1　量子基態(tài)

超強(qiáng)耦合機(jī)制下的系統(tǒng)本征態(tài)與非超強(qiáng)耦合機(jī)制下的本征態(tài)有著較大的區(qū)別，且在基態(tài)特性上的差異尤其顯著。例如Rabi模型，當(dāng)耦合強(qiáng)度

很小時(shí)，系統(tǒng)可以用JC哈密頓量來描述，其本征態(tài)有確定的激發(fā)數(shù)，基態(tài)是由原子基態(tài)和光場真空態(tài)直積的非糾纏態(tài)，這與圖2(a)和(d)展現(xiàn)的基態(tài)統(tǒng)計(jì)特性一致；當(dāng)

增大到微擾超強(qiáng)耦合區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)本征態(tài)不再有確定的激發(fā)數(shù)，其基態(tài)是原子和光場之間的糾纏態(tài)，并表現(xiàn)出壓縮等非經(jīng)典特性(圖2(b)和(e)) [21] 。當(dāng)耦合強(qiáng)度超越非微擾超強(qiáng)耦合機(jī)制，甚至進(jìn)入深度超強(qiáng)耦合機(jī)制時(shí)，量子Rabi模型的本征態(tài)不能再用簡單的解析式去表示。Rabi哈密頓量具有

Z

2對(duì)稱性，該對(duì)稱性可由宇稱算符

P

zeiπ

a

a

表征，其本征值可取±1。因此，整個(gè)希爾伯特空間依照宇稱本征值分裂為兩個(gè)無限維的不變子空間鏈 [21] ：一個(gè)鏈?zhǔn)桥技ぐl(fā)態(tài)構(gòu)成，而另外一個(gè)鏈均是奇激發(fā)態(tài)。

圖2　不同耦合機(jī)制下Rabi模型的基態(tài)統(tǒng)計(jì)特性 (a—c)最左側(cè)兩個(gè)條紋，藍(lán)(綠)色條紋表示原子基態(tài)|

g

>(激發(fā)態(tài)|

e

>)的統(tǒng)計(jì)分布，右側(cè)藍(lán)(綠)色條紋表示原子處于原子態(tài)|

g

e

>)時(shí)光子數(shù)態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布；(d—f)當(dāng)耦合強(qiáng)度不同，原子處于不同量子態(tài)時(shí)，光場量子態(tài)在相空間的魏格納分布，其中(d)圖對(duì)應(yīng)的原子態(tài)是|

g

>，(e)和(f)圖對(duì)應(yīng)的原子態(tài)都是|

e

從圖2(c)中的基態(tài)統(tǒng)計(jì)分布中可以看出，當(dāng)原子處在激發(fā)態(tài)|

e

>(基態(tài)|

g

>)時(shí)，光子數(shù)態(tài)只處在奇(偶)光子數(shù)態(tài)，由此可知系統(tǒng)本征態(tài)是純偶激發(fā)態(tài)或純奇激發(fā)態(tài)的疊加態(tài)。因此當(dāng)系統(tǒng)處在本征態(tài)時(shí)，光場湮滅算符以及原子躍遷算符的平均值都是零。在深度超強(qiáng)耦合機(jī)制下，系統(tǒng)基態(tài)可近似為，其中有

>表示相干態(tài)，其中

可以通過系統(tǒng)平均光子數(shù)得到[27] 。以|

e

g

>)為基對(duì)基態(tài)進(jìn)行測量后，光場在相空間的分布呈相干貓態(tài)分布，這與如圖2(f)所呈現(xiàn)的結(jié)果一致。從中可以看出，在深度超強(qiáng)耦合機(jī)制下，量子Rabi模型的基態(tài)是原子與光學(xué)薛定諤貓態(tài)構(gòu)成的糾纏態(tài)，并展現(xiàn)出壓縮等非經(jīng)典特性。在涉及到多原子與光場相互作用的系統(tǒng)中，例如Dicke模型，將光與原子的相互作用強(qiáng)度從非超強(qiáng)耦合機(jī)制增強(qiáng)到超強(qiáng)耦合機(jī)制的過程中，會(huì)發(fā)生從正常項(xiàng)到超輻射相的躍變。在正常相系統(tǒng)基態(tài)是非簡并的，且光場為真空態(tài)；而在超輻射相中，系統(tǒng)基態(tài)呈現(xiàn)雙重簡并，且光場表現(xiàn)為被大量光子占據(jù)的相干態(tài)。

2.2.2　虛光子激發(fā)

超強(qiáng)耦合機(jī)制下，反旋波項(xiàng)不可忽略，導(dǎo)致系統(tǒng)基態(tài)中存在光和物質(zhì)的激發(fā)，這與弱耦合機(jī)制下系統(tǒng)基態(tài)為零激發(fā)有著本質(zhì)區(qū)別。如2.1.1節(jié)所述，非超強(qiáng)耦合機(jī)制下，系統(tǒng)的激發(fā)本征態(tài)為“綴飾態(tài)”，即同時(shí)包含光激發(fā)和原子激發(fā)的兩種量子態(tài)的疊加，且這兩種態(tài)具有相同的激發(fā)數(shù)。然而，在超強(qiáng)耦合機(jī)制下，所有激發(fā)態(tài)都受到包含不同激發(fā)數(shù)的多個(gè)量子態(tài)的共同綴飾，在此條件下基態(tài)光子與原子緊密結(jié)合，基態(tài)光子無法逸出腔體，導(dǎo)致光子難以被探測[21]。即使將光子探測器放置在腔內(nèi)，也只有在極短的時(shí)間尺度上光子才有可能被探測到，而這個(gè)時(shí)間尺度由時(shí)間—能量不確定性關(guān)系所決定[30]。即超強(qiáng)耦合機(jī)制下，基態(tài)中的光子幾乎無法用探測器直接感知，所以通常把系統(tǒng)基態(tài)中的光子稱為虛光子。

圖3　超強(qiáng)耦合機(jī)制下基態(tài)虛光子的探測方案 (a)讓腔模與一個(gè)輔助量子比特M耦合，通過輔助比特的光譜來探測基態(tài)光子性質(zhì)[31]；(b)腔模與三能級(jí)原子的兩個(gè)高能級(jí)躍遷(|

g

e

>)超強(qiáng)耦合，|

g

>態(tài)通過耗散通道躍遷到|

s

>態(tài)從而釋放光子 [33] ；(c)施加外場驅(qū)動(dòng)|

g

s

>躍遷，從而產(chǎn)生光子[34]；(d)通過周期性調(diào)制光場與原子的耦合強(qiáng)度釋放基態(tài)中的虛光子[35]

如何探測虛光子吸引了人們的關(guān)注。一種方法是利用一個(gè)輔助量子比特探究超強(qiáng)耦合光—物質(zhì)系統(tǒng)的基態(tài)，需要在腔體中放置多個(gè)原子提高信噪比，通過測量輔助量子比特的蘭姆位移來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛光子的探測(圖3(a))[31]。在腔光力系統(tǒng)中，通過探測虛光子對(duì)腔鏡的輻射壓力可實(shí)現(xiàn)基態(tài)光 子的探測[32]。此外，還有一類有效方法是通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)哈密頓量將虛光子轉(zhuǎn)化為實(shí)光子。在光學(xué)腔模與一Ξ型原子相互作用的系統(tǒng)中，使原子的兩個(gè)能級(jí)與腔模形成超強(qiáng)耦合，當(dāng)原子初始態(tài)制備于兩個(gè)上能級(jí)之一時(shí)，向基態(tài)能級(jí)的衰變過程會(huì)伴隨兩個(gè)實(shí)光子的發(fā)射(圖3(b))[33]?；陬愃频摩驮?，人們還研究了在單頻外場持續(xù)驅(qū)動(dòng)下量子真空的反作用效應(yīng)(圖3(c))[34]。在由Λ型三能級(jí)原子的兩個(gè)上能級(jí)與腔模發(fā)生超強(qiáng)耦合的系統(tǒng)中，通過兩個(gè)外驅(qū)動(dòng)場誘導(dǎo)拉曼躍遷，可將原子—腔綴飾態(tài)所攜帶的虛光子轉(zhuǎn)化為實(shí)光子對(duì)[28]。還可以通過調(diào)控原子—場耦合強(qiáng)度、原子頻率實(shí)現(xiàn)虛光子到實(shí)光子的轉(zhuǎn)換等(圖3(d))[35，36]?；谳p質(zhì)量特性的fluxonium型量子比特與相干控制技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)虛光子向?qū)嵐庾拥母咝?、保真且可選擇性的轉(zhuǎn)換，該方法有望在實(shí)驗(yàn)上解決超強(qiáng)耦合領(lǐng)域中長期存在的虛光子探測難題[37]。

2.2.3　主方程

在描述真實(shí)的量子體系時(shí)，需考慮系統(tǒng)與環(huán)境耦合引發(fā)的耗散效應(yīng)。通常在弱耦合機(jī)制下，由于系統(tǒng)與環(huán)境的耦合強(qiáng)度遠(yuǎn)小于系統(tǒng)本身的特征頻率，且哈密頓量中的反旋波項(xiàng)可以忽略不計(jì)，同時(shí)環(huán)境具有很短的相關(guān)時(shí)間，量子系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用過程通常用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主方程去描述。但在超強(qiáng)耦合機(jī)制下，由于λ/ω0的比值極高，標(biāo)準(zhǔn)量子光學(xué)主方程不再適用——例如，系統(tǒng)的哈密頓量不遵守粒子數(shù)守恒律，其基態(tài)包含有限數(shù)量的虛激發(fā)。如果不對(duì)實(shí)粒子與虛粒子加以區(qū)分，利用標(biāo)準(zhǔn)主方程預(yù)測出的輻射則是非物理的[38]。要準(zhǔn)確描述系統(tǒng)與環(huán)境的耦合，必須對(duì)系統(tǒng)—熱庫耦合強(qiáng)度進(jìn)行微擾展開。

為實(shí)現(xiàn)精確展開，需要將哈密頓量對(duì)角化，得到哈密頓量的本征能和本征態(tài)，然后在新的本征基矢下推導(dǎo)適用于超強(qiáng)耦合機(jī)制的主方程。此主方程中的光場躍遷算符不再是單純的湮滅算符，應(yīng)由哈密頓量表象下湮滅算符的矩陣元和哈密頓量本征態(tài)構(gòu)造而成。新的光場躍遷算符可以描述相互作用系統(tǒng)中實(shí)光子的湮滅過程，其厄米共軛算符則與實(shí)光子的產(chǎn)生算符相對(duì)應(yīng)[38]。超強(qiáng)耦合機(jī)制下，系統(tǒng)基態(tài)中的光子數(shù)為虛光子，且光子數(shù)的平均值不為零，由新躍遷算符的厄米共軛算符與自身乘積構(gòu)成的新粒子數(shù)態(tài)算符的平均值在基態(tài)下等于零，即所需構(gòu)造的新光場躍遷算符定義與可探測光子數(shù)為零對(duì)應(yīng)[27]。由新光場躍遷算符推導(dǎo)出的主方程，表明強(qiáng)耦合機(jī)制下系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用，需通過系統(tǒng)哈密頓量的本征模與環(huán)境的相互作用來描述。

03

超強(qiáng)耦合的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

近幾十年以來超強(qiáng)耦合一直是理論研究的焦點(diǎn)之一，2009年迎來突破，首次在子帶間極化子實(shí)驗(yàn)中觀測到超強(qiáng)耦合現(xiàn)象[39]，隨著研究的不斷深入，該現(xiàn)象已在多種物理系統(tǒng)和不同波長范圍內(nèi)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)，并且光—物質(zhì)相互作用程度已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)上達(dá)到深度強(qiáng)耦合。

3.1　實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)體系

3.1.1　半導(dǎo)體腔

半導(dǎo)體量子阱憑借其原子級(jí)平整的界面和高度可調(diào)的能帶特性，成為實(shí)現(xiàn)量子精密調(diào)控的理想固態(tài)平臺(tái)。通過分子束外延等先進(jìn)制備技術(shù)，可對(duì)其電子能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)響應(yīng)進(jìn)行納米精度的量子工程設(shè)計(jì)。量子阱中的帶內(nèi)躍遷具有較低的共振頻率(通常位于中紅外至太赫茲波段)和較大的偶極矩，為實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)超強(qiáng)耦合提供了關(guān)鍵條件。此類帶內(nèi)躍遷主要包括子帶間躍遷和朗道能級(jí)間躍遷兩種。

半導(dǎo)體量子阱中兩個(gè)導(dǎo)帶具有相反宇稱的最低子能級(jí)，可與沿生長方向偏振的光場發(fā)生共振耦合，形成子帶間極化激元。這類系統(tǒng)通常可采用Dicke模型進(jìn)行有效描述。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Dicke模型理論結(jié)果對(duì)比，人們發(fā)現(xiàn)有效耦合強(qiáng)度可以達(dá)到

=0.11，這是半導(dǎo)體量子阱體系中首次實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合(圖4(a)) [39] 。該研究推動(dòng)了子帶間極化激元體系在超強(qiáng)耦合方面的研究，后續(xù)進(jìn)一步將耦合強(qiáng)度提升至

=0.45 [40，41] 。后來，基于GaAs單量子阱的實(shí)驗(yàn)表明，即使處于室溫條件，單個(gè)中紅外子帶間躍遷仍可與光學(xué)腔模實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合 [42] 。當(dāng)沿量子阱生長方向施加直流磁場時(shí)，各子能級(jí)將量子化為一系列朗道能級(jí)。其中，最高朗道能級(jí)和最低非朗道能級(jí)可與量子阱平面內(nèi)偏振的光場共振耦合，形成朗道能級(jí)間的極化激元。該體系中的超強(qiáng)耦合現(xiàn)象得到了理論上的論證和實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證 [43] 。另外，基于等離子體太赫茲諧振器的朗道極化激元系統(tǒng)是首個(gè)進(jìn)入深強(qiáng)耦合區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)，其Rabi分裂頻率與腔頻率之比

可達(dá)1.43，同時(shí)基態(tài)虛光子占據(jù)數(shù)高達(dá)0.37 [44] 。

圖4　實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (a)半導(dǎo)體微腔[39]：由底部包層全反射和頂部半導(dǎo)體—金屬界面反射形成的光學(xué)諧振腔，量子阱等價(jià)于二能級(jí)系統(tǒng)；(b)超導(dǎo)電路[46]：由傳輸線和磁通量子比特集成的超導(dǎo)芯片(左圖)，比特與傳輸線耦合固定(右下圖)或可調(diào)(右上圖)，耦合強(qiáng)度均與耦合結(jié)相位算符

矩陣元成正比；(c)光力系統(tǒng) [53] ：碳化硅納米線壓電振蕩器的振動(dòng)端被置于高精細(xì)度光纖微腔內(nèi)，光學(xué)腔模與機(jī)械振子位移間產(chǎn)生大的參量耦合

3.1.2　超導(dǎo)量子電路

超導(dǎo)量子電路是研究光與物質(zhì)超強(qiáng)耦合及深強(qiáng)耦合現(xiàn)象的重要平臺(tái)。該系統(tǒng)基于約瑟夫森結(jié)在極低溫(毫開爾文量級(jí))環(huán)境下構(gòu)建人工原子，通過與平面諧振器或傳輸線中的微波光子耦合，突破了傳統(tǒng)光與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度極限。2010年，基于電感耦合方案，人們首次在超導(dǎo)量子電路系統(tǒng)中觀測到超強(qiáng)耦合現(xiàn)象[18]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)不僅達(dá)到了微擾超強(qiáng)耦合機(jī)制的耦合強(qiáng)度，還表現(xiàn)出明顯偏離傳統(tǒng)JC模型的反常物理行為，揭示了反旋波項(xiàng)在超強(qiáng)耦合機(jī)制下的重要作用。

超導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合的獨(dú)特機(jī)制源于其特殊的標(biāo)度規(guī)律：與腔量子電動(dòng)力學(xué)中耦合強(qiáng)度隨精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)

3/2 變化不同，電路量子電動(dòng)力學(xué)中的耦合強(qiáng)度遵循

±1/2 的標(biāo)度關(guān)系。這一特性使得單個(gè)人造原子即可實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合，無需借助多粒子集體增強(qiáng)效應(yīng)。2016年，該領(lǐng)域取得里程碑式進(jìn)展，研究人員通過優(yōu)化約瑟夫森結(jié)耦合元件設(shè)計(jì)，將耦合強(qiáng)度推入非微擾超強(qiáng)耦合區(qū)域，并成功進(jìn)入深強(qiáng)耦合邊界(

=1.34)。這一突破同時(shí)在封閉和開放系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，為研究深強(qiáng)耦合區(qū)域的新型量子現(xiàn)象提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)(圖4(b)) [45，46] 。

值得強(qiáng)調(diào)的是，超導(dǎo)電路是迄今唯一實(shí)現(xiàn)連續(xù)譜與人工原子超強(qiáng)耦合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為研究非微擾量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)開辟了新路徑[46]。最新的研究表明，在超導(dǎo)量子電路系統(tǒng)中，利用超強(qiáng)耦合機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙極化激元的有效阻塞[47]。此外，該系統(tǒng)還展現(xiàn)出強(qiáng)大的量子模擬能力：通過將數(shù)字量子計(jì)算與模擬仿真相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)極端耦合條件下量子Rabi模型的精確模擬，推動(dòng)了超強(qiáng)耦合物理從基礎(chǔ)理論研究向量子信息處理應(yīng)用的跨越。目前，超導(dǎo)量子電路已成為探索非微擾區(qū)域量子現(xiàn)象、開發(fā)新型量子器件的核心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一[48]。

3.1.3　光力系統(tǒng)

腔光力系統(tǒng)是研究光場與機(jī)械振動(dòng)相互作用的重要平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的強(qiáng)耦合提供了理想條件。近年來，隨著微腔設(shè)計(jì)與納米制備技術(shù)的進(jìn)步，光力相互作用已逐步進(jìn)入超強(qiáng)耦合區(qū)域，其中光場與機(jī)械模式的耦合強(qiáng)度

可與系統(tǒng)的本征頻率(通常為機(jī)械頻率

m

)相比擬，甚至使歸一化耦合強(qiáng)度

m

>1。目前實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)光力耦合的主要途徑 包括提高單光子耦合強(qiáng)度和增加腔內(nèi)光子數(shù)。

在增強(qiáng)單光子耦合強(qiáng)度方面，使等離激元納米腔與單個(gè)分子振動(dòng)耦合，通過金屬納米結(jié)構(gòu)將光場局域在亞納米尺度，顯著提升了單光子耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了

≈0.3的耦合比 [49] 。在懸浮光力系統(tǒng)中通過散射光直接驅(qū)動(dòng)光學(xué)腔，也可使有效光力耦合達(dá)到超強(qiáng)耦合 [50] 。在微波腔電力學(xué)系統(tǒng)中，通過提高驅(qū)動(dòng)功率也將有效耦合強(qiáng)度提升至超強(qiáng)耦合范圍 [51] 。在光鑷懸浮的介電納米粒子與光學(xué)腔場耦合的系統(tǒng)中，通過將納米粒子精確定位于腔模節(jié)點(diǎn)，使線性光力耦合比達(dá)到

=0.55 [52] 。利用基于光纖微腔與懸浮納米線構(gòu)建的腔光力結(jié)構(gòu)，人們證明了單光子光力耦合也可達(dá)到超強(qiáng)耦合機(jī)制(圖4(c)) [53] 。在三維超導(dǎo)腔與微機(jī)械薄膜構(gòu)成的系統(tǒng)中，通過注入大量光子并結(jié)合參數(shù)放大，可使有效耦合比

接近0.9 [19] 。此外，在腔光力系統(tǒng)中引入光學(xué)參量放大過程，可顯著增強(qiáng)單光子光力耦合強(qiáng)度，該方案可用于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合到超強(qiáng)耦合乃至深強(qiáng)耦合的跨越 [54] ，還可拓展至其他腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，用于增強(qiáng)光與原子的相互作用 [55] 。

3.1.4　腔磁系統(tǒng)

腔磁系統(tǒng)是研究磁性材料(如釔鐵石榴石，YIG)中集體自旋激發(fā)(磁子，magnon)與微波腔光子耦合的重要平臺(tái)。YIG因其高自旋密度和低磁損耗，成為實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)超強(qiáng)耦合的理想載體，相關(guān)研究受到廣泛關(guān)注。2014年，在三維微波腔與YIG磁子相互作用構(gòu)成的系統(tǒng)中，通過縮小腔體尺寸并增加自旋數(shù)目，人們首次在室溫下實(shí)現(xiàn)了微波腔與磁子的超強(qiáng)耦合，耦合強(qiáng)度

達(dá)到0.12(圖5(a)) [56] 。隨后，通過在光子晶體中引入摻雜鈣和鍺的YIG缺陷，室溫下光子—磁子耦合強(qiáng)度被提升至

=0.23 [57] 。采用可重構(gòu)三維回路腔與YIG板耦合，在室溫條件下可進(jìn)一步將

提高至0.59 [20] 。在低溫環(huán)境下，利用雙柱重入型諧振腔聚焦磁場，增強(qiáng)YIG小球與微波光子的耦合，在25 mK條件下實(shí)現(xiàn)了

=0.1的超強(qiáng)耦合，且系統(tǒng)的協(xié)同參數(shù)高達(dá)1.3×10 5 [58] 。將大尺寸YIG球(直徑5 mm)置于圓柱形腔中，使光子模式主要局域于球內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)光子模與磁子自旋波的超強(qiáng)共振耦合，耦合比

可達(dá)0.23 [59] 。將YIG薄盤置于環(huán)隙諧振(loop-gap)腔中，可將

增強(qiáng)至0.34 [60] 。采用多層超導(dǎo)—鐵磁—絕緣體薄膜結(jié)構(gòu)，通過抑制光子相速度增強(qiáng)耦合，

可以提高至0.58 [61] ?；诎瑢?dǎo)層、絕緣層和鐵磁層的多層薄膜結(jié)構(gòu)，利用Swihart諧振腔可進(jìn)一步增強(qiáng)耦合，在2—9.5 K的溫度范圍內(nèi)，光子與磁子相互作用接近深度超強(qiáng)耦合(

=0.92)，但此時(shí)協(xié)同參數(shù)降至240 [62] 。

圖5 (a)腔磁系統(tǒng)[56]：微波腔內(nèi)特定區(qū)域產(chǎn)生的強(qiáng)磁場與腔內(nèi)YIG球發(fā)生強(qiáng)耦合；(b)二維材料體系[64]：將Ag-Si核殼納米顆粒(等離激元)放置在WS2(激子)單層上形成緊密空間，促進(jìn)等離激元與激子間的強(qiáng)耦合

3.1.5　二維材料體系

范德瓦耳斯半導(dǎo)體材料中二維過渡金屬硫族化合物(TMDs)的諧振子強(qiáng)度和激子束縛能較大，是研究室溫下光—物質(zhì)強(qiáng)相互作用的理想平臺(tái)。通過構(gòu)建具有多重奇異點(diǎn)的隨機(jī)等離激元超表面，人們首次在室溫下實(shí)現(xiàn)了硫化鎢(WS2)二維材料中激子—等離激元的超強(qiáng)耦合(

可達(dá)0.12—0.164)，為低維半導(dǎo)體光電子器件的量子應(yīng)用提供了新路徑 [63] 。通過相關(guān)理論模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銀—硅核殼結(jié)構(gòu)(Ag-Si)與WS 2 單層結(jié)合的系統(tǒng)處于水環(huán)境中， 且銀核尺寸較小時(shí)，等離子體與激子間的耦合強(qiáng)度能夠達(dá)到深度強(qiáng)耦合機(jī)制，遠(yuǎn)超純硅—WS 2 系統(tǒng)，這為開發(fā)新型光量子器件提供了新方向(圖5(b)) [64] 。基于介電雙梯度超表面，通過空間編碼、調(diào)控光譜和耦合參數(shù)空間，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)與超薄二氧化硅層中介電常數(shù)近零模的超強(qiáng)耦合，為高性能集成光子芯片的發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑 [65] 。此外，三維結(jié)構(gòu)中超強(qiáng)耦合的研究也引起了人們的關(guān)注。在三維光子晶體腔與朗道量子化二維電子氣組成的混合系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的多模超強(qiáng)耦合，該研究突破了超強(qiáng)耦合研究的空間限制瓶頸，為多維光場調(diào)控量子系統(tǒng)提供了重要范例 [66] 。當(dāng)?shù)入x激元納米粒子的尺寸是粒子間隙的十倍以上時(shí)，其三維晶體可在環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)深強(qiáng)耦合。該晶體的集體橫向等離激元模式與光子態(tài)連續(xù)域雜化，形成了Rabi頻率接近等離激元頻率兩倍的三維極化激元 [67] 。

3.2　應(yīng)用領(lǐng)域

3.2.1　量子信息處理

超強(qiáng)耦合突破了標(biāo)準(zhǔn)量子電動(dòng)力學(xué)的旋波近似，為量子信息處理帶來了全新的物理現(xiàn)象和操作可能性。例如實(shí)現(xiàn)超快量子邏輯門操作，在量子計(jì)算中，量子比特的操作速度直接決定了算法的執(zhí)行效率。在超強(qiáng)耦合機(jī)制下，由于耦合強(qiáng)度極大，量子比特與諧振腔之間的能量交換速率極高。這使得基于此系統(tǒng)構(gòu)建的兩比特量子邏輯門(如受控相位門)的操作時(shí)間可以大幅縮短至皮秒量級(jí)，遠(yuǎn)快于在弱耦合或強(qiáng)耦合條件下的納秒量級(jí)。這種超快操作有助于在量子退相干發(fā)生前完成更多的邏輯操作，提升了計(jì)算保真度[68]。超強(qiáng)耦合還可用于新型量子比特的保護(hù)與編碼，超強(qiáng)耦合機(jī)制的一個(gè)標(biāo)志性特征是系統(tǒng)基態(tài)中存在非零的光子數(shù)，即“虛光子”，這個(gè)基態(tài)是一個(gè)高度糾纏的光—物質(zhì)疊加態(tài)。可以利用這個(gè)受保護(hù)的、非庸的基態(tài)來編碼量子信息，形成“暗”量子比特。由于基態(tài)是系統(tǒng)的能量最低點(diǎn)，它對(duì)某些類型的耗散和噪聲具有天然的抵抗能力，可以為量子存儲(chǔ)提供新思路[69]。超強(qiáng)耦合機(jī)制在實(shí)現(xiàn)非經(jīng)典態(tài)的制備方面也有明顯優(yōu)勢，通過驅(qū)動(dòng)超強(qiáng)耦合系統(tǒng)，可以有效地制備出豐富的非經(jīng)典態(tài)，如薛定諤貓態(tài)和壓縮態(tài)，這些態(tài)是連續(xù)變量量子信息處理和量子計(jì)量學(xué)中的重要資源[70]。

3.2.2　量子傳感與精密測量

量子傳感是一種基于量子系統(tǒng)(如量子比特)的高精度測量技術(shù)，其核心思想是利用量子態(tài)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的敏感性，將外界微擾(如電磁場、溫度、壓力等物理量的變化)轉(zhuǎn)化為可探測的量子信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典極限的測量精度。超強(qiáng)耦合極大地增強(qiáng)了這種敏感性，并引入了新的傳感機(jī)制[71]。在超強(qiáng)耦合機(jī)制下，量子比特的能譜會(huì)發(fā)生巨大的形變，其能級(jí)劈裂與耦合強(qiáng)度直接相關(guān)。任何能夠擾動(dòng)耦合強(qiáng)度或系統(tǒng)頻率的外部參量(如一個(gè)待測光子、一個(gè)近場磁偶極子或應(yīng)變)，都會(huì)導(dǎo)致能級(jí)發(fā)生巨變。這種非線性響應(yīng)使得傳感的靈敏度被極大放大，理論上可以實(shí)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的測量精度。此外，由于超強(qiáng)耦合系統(tǒng)對(duì)外部微擾的響應(yīng)極其劇烈，它為實(shí)現(xiàn)單粒子甚至單光子水平的探測提供了新途徑[72]。由于超強(qiáng)耦合系統(tǒng)的基態(tài)是糾纏態(tài)，其性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于系統(tǒng)參數(shù)。通過設(shè)計(jì)特定的測量方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測場的探測，同時(shí)最小化對(duì)量子傳感器本身狀態(tài)的破壞，這對(duì)于連續(xù)監(jiān)測和反饋控制至關(guān)重要[73]。

3.2.3　化學(xué)與材料調(diào)控

超強(qiáng)耦合可顯著影響化學(xué)反應(yīng)的速率與路徑。當(dāng)分子振動(dòng)模式與光學(xué)腔中的光子模式進(jìn)入超強(qiáng)耦合狀態(tài)時(shí)，會(huì)形成振動(dòng)極化激元，進(jìn)而改變分子勢能面并調(diào)控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定化學(xué)反應(yīng)的抑制或促進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中，能量無序(如液體環(huán)境中的氫鍵作用或固態(tài)材料中的缺陷)會(huì)限制極化激元的有效傳播。研究表明，在高度無序的液體中，能量傳遞因局域化效應(yīng)而顯著減慢；而在低缺陷晶體中，若光—物質(zhì)耦合強(qiáng)度超過無序?qū)挾鹊娜叮芰哭D(zhuǎn)移速率可提升三倍。這一機(jī)制為設(shè)計(jì)高效的極化激元化學(xué)器件提供了重要依據(jù)[74]。振動(dòng)強(qiáng)耦合能夠重塑分子體系的能量景觀，為調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過程與材料功能開辟了新途徑。 其在超分子化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要潛力，例如在紅外光學(xué)腔中，通過耦合凝膠性共軛聚合物與溶劑的振動(dòng)模式，可有效調(diào)控自組裝路徑與終態(tài)結(jié)構(gòu)[75]。振動(dòng)強(qiáng)耦合不僅能夠誘導(dǎo)形成與傳統(tǒng)條件下顯著不同的超分子形態(tài)，還可通過溶劑振動(dòng)特性調(diào)控組裝動(dòng)力學(xué)。將振動(dòng)耦合提升至超強(qiáng)耦合水平，有望進(jìn)一步推動(dòng)精準(zhǔn)合成與功能材料設(shè)計(jì)的發(fā)展。

3.2.4　非線性光學(xué)

光場與物質(zhì)相互作用中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)(如諧波產(chǎn)生、參量下轉(zhuǎn)換)是非線性光學(xué)的主要研究內(nèi)容。傳統(tǒng)非線性光學(xué)需要高功率激光和長相互作用距離，超強(qiáng)耦合為在單量子水平和微納尺度上產(chǎn)生強(qiáng)非線性效應(yīng)開辟了道路。超強(qiáng)耦合機(jī)制下，反旋波項(xiàng)不能被忽略，這些是產(chǎn)生非線性光學(xué)過程的物理根源。由于耦合強(qiáng)度極大，這些非線性項(xiàng)的作用得到極大提升。這意味著，即使輸入非常弱的相干光(甚至單光子)，也能觀察到顯著的非線性響應(yīng)，如頻率上轉(zhuǎn)換、雙光子吸收和發(fā)射等，可用于實(shí)現(xiàn)單光子非線性光學(xué)[76]。利用超強(qiáng)耦合系統(tǒng)中的強(qiáng)非線性，可以設(shè)計(jì)高效的小型化量子光源。例如，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以利用其豐富的非線性過程來產(chǎn)生非經(jīng)典光，如糾纏光子對(duì)和壓縮光。這些光源是量子通信、量子計(jì)算和精密測量不可或缺的資源[38]。超強(qiáng)耦合系統(tǒng)的非線性特性還可以通過設(shè)計(jì)耦合強(qiáng)度、失諧等參數(shù)進(jìn)行“裁剪”，這意味著可以按需設(shè)計(jì)和調(diào)控非線性光學(xué)過程(如二次諧波產(chǎn)生、三次諧波產(chǎn)生的效率和諧波特性)，為集成光子芯片上的非線性功能模塊提供了較高的靈活度[77]。

04

總結(jié)和展望

近年來，基于腔量子電動(dòng)力學(xué)理論的超強(qiáng)耦合研究已取得了許多重要進(jìn)展，雖然已經(jīng)可以在多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，但仍有許多理論預(yù)言需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該領(lǐng)域的研究有望為量子技術(shù)的研發(fā)帶來革命性突破，如實(shí)現(xiàn)超快量子邏輯門操作、新型量子比特編碼以及加速量子動(dòng)力學(xué)過程從而克服量子退相干問題。將超強(qiáng)耦合系統(tǒng)與拓?fù)涔庾訉W(xué)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可構(gòu)建具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性的光腔與波導(dǎo)。這類結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷和無序具備天然的魯棒性，能夠大幅提升光量子器件的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)發(fā)展高性能集成光子電路和實(shí)現(xiàn)高效量子信息處理具有重要意義。超強(qiáng)耦合體系還可用于模擬凝聚態(tài)中的多體問題，可為探索新物態(tài)以及研究非平衡物理過程提供重要平臺(tái)?；诔瑥?qiáng)耦合的量子調(diào)控還面臨著多重挑戰(zhàn)，例如，如何使量子系統(tǒng)具有更高耦合強(qiáng)度的同時(shí)還具有更低的損耗，這將對(duì)發(fā)展新型低損耗材料與精細(xì)微納加工技術(shù)提出新的要求。此外，將超強(qiáng)耦合系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的量子信息處理中，還需解決多節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、集成化制備以及與其他量子器件的兼容性問題。

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新型光子晶體專題

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