介观超快非线性光学——多模量子非高斯物理的涌现

在过去的几十年里，非线性光学已变得显著更具非线性，能量效率跨越了近十亿倍的提升，其中超快非线性纳米光子学尤其成为结合空间与时间工程的前沿。目前，非线性纳米光子学的前沿实验将我们刚好置于介观 regime 之上，其中数百个光子就足以触发非线性饱和。与经典或深量子光学相反，介尺度以平均场、高斯和非高斯量子特征之间的动力学相互作用为特征，所有这些都在相近的尺度层级内。当与光场固有的多模复杂性结合时，此类混合量子-经典动力学对当代量子光学框架提出了理论、实验和工程挑战。在本综述中，我们强调在介尺度多模非线性光学中涌现的独特物理，并概述利用经典与量子特征来设计新功能的关键原理。我们简要考察实验现状，并提请注意在材料、色散工程和器件设计方面用于实现介观运行的突出技术挑战。最后，我们推测这些能力如何可能引入量子光子学中的一些新范式，从量子增强信息处理到非经典光驱动的动力学与现象，再到全光非高斯测量与传感。在介尺度解锁的物理在理论与实验上均带来重大挑战与机遇，本综述旨在作为我们开始探索这一超快量子非线性光学新前沿的指引。