与单个原子结合的光子的非线性光谱学

光学非线性通常需要宏观介质，因此使其在量子层面的实现成为一个突出的挑战。在此，我们展示了一个被两面高反射率镜面封闭的单个原子的非线性。我们将激光通过输入镜面发送，并记录腔输出镜面的光。对于弱激光强度，我们发现了真空 Rabi 共振。但对于更高强度，我们发现了一个额外的共振。它源于这样一个事实：腔只能容纳整数个光子，且该光子数决定了耦合原子-腔系统的特征频率。我们通过一次性将两个光子注入系统来选择性激发该频率，并发现透射率随激光强度的平方而增加。该非线性不同于经典饱和非线性，是原子-腔系统量子性质的直接光谱学证明。它通过单个原子提供了光子-光子相互作用，并构成了迈向双光子网关或单光子晶体管的一步。