利用原子阵列中的亚辐射与“选择性辐射”实现光子存储保真度的指数级提升

量子光学的一个核心目标是实现光子与原子之间的高效相互作用。几乎所有基于此类系统的应用都面临一个基本限制，即自发辐射：光子被原子吸收后再次散射至非预期通道。在典型的原子系综处理中，假设这种再散射独立发生，且速率由单个孤立原子给出，这进而导致了量子存储器或量子门等应用中保真度的标准极限。然而，这一假设可能不成立。具体而言，通过发射过程中的强干涉，集体原子激发的自发辐射可被显著抑制。迄今为止，亚辐射现象背后的物理机制及利用它的技术尚未得到充分理解。在本工作中，我们对这一问题进行了全面处理。首先，我们证明在自由空间中的有序原子阵列中，亚辐射态可解释为由阵列引导的光学模式，这些模式仅因有限链端部的散射而发射。我们还阐明了多激发极限下亚辐射态的性质。最后，我们引入了选择性辐射这一新概念。亚辐射态对所有光学模式的耦合均减弱，而选择性辐射态则被定制为在向预期通道高效辐射的同时，抑制向非预期通道的散射，从而实现增强的原子-光接口。我们证明这些态自然出现于耦合至纳米光子结构的原子链中，并分析了利用此类态进行光子存储的性能。我们发现，选择性辐射态使得光子存储误差随原子数量缩放的指数表现显著优于已知界限。