一种基于支持向量回归（SVR）的预测方法，用于紫外皮秒激光烧蚀过程中工件表面轮廓的预测

《Optics & Laser Technology》：An SVR-driven prediction method for workpiece surface profiles in ultraviolet picosecond laser ablation

本文提出一种基于量子比特耦合旋转共振腔的四端口光学系统，通过调控共振腔旋转速度与方向，实现单光子非递归传输特性的可调控制，并验证了背散射增强系统非递归性的鲁棒性，为量子网络提供了新型拓扑保护的光学路由方案。

　　

张慧丽|张宏军|陈晓楠|李玉冰|徐佩佩|李海波|孙辉

陕西师范大学物理与信息技术学院，中国西安710119

摘要

我们提出了一个四端口光学系统，该系统利用量子比特（qubit）将自旋共振器耦合起来，以克服量子网络中非磁性非互易设备所面临的路由维度受限和缺陷敏感性的挑战。研究表明，原子-共振器耦合强度以及共振器的旋转速度可以控制单光子的传输特性。具体来说，通过调整共振器的旋转速度和方向，可以实现单光子的非互易传输。此外，四端口光子系统中的后向散射打破了宇称对称性，增强了非互易性，并证明了其鲁棒性。所提出的四端口光学路由系统通过在单光子层面提供鲁棒且拓扑保护的非互易路由，使得量子光子电路成为可能。这为量子隔离、定向量子态生成以及抗后向散射的量子信息处理等应用提供了基础。

引言

光学非互易性具有许多实际应用，其特点是在光在正向和反向传播过程中都表现出不可逆性[1]。对于量子网络、量子信息处理和光量子通信而言，基于非互易性的光学设备至关重要，例如定向放大器[2]、光环行器[3]、[4]、[5]、[6]以及光隔离器[7]、[8]、[9]、[10]。以往的研究主要集中在基于法拉第磁光效应的各种光学非互易设备上[11]、[12]。然而，磁光效应通常需要一个强大的外部磁场，这可能会影响精密光学组件的性能。此外，磁性非互易设备在集成和微型化方面存在挑战，因此人们开始研究无磁光学非互易性。无磁光学非互易性指的是一种无需外部磁场即可实现光波或电磁波单向传输的系统，这使其更适合集成和微型化。无磁光学非互易性的多种架构正在突破传统磁光设备的限制，为量子计算、高速通信和智能传感提供了重要的技术支持。近年来，提出了许多利用不同技术的理论方案和实验验证来实现无磁非互易性，包括光机械相互作用[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、宇称时间对称结构[19]、[20]、[21]、[22]、非线性元件[23]、[24]、原子相互作用[25]、[26]、[27]、时空调制[28]、[29]、[30]、[31]以及量子压缩[32]。值得注意的是，自旋共振器可以通过利用萨格纳克效应（Sagnac effect）提供一种实现非互易传输的新方法[33]、[34]，这会导致光在共振器内部循环时产生反向的萨格纳克-菲佐位移（Sagnac-Fizeau shift）。在过去十年中，由萨格纳克效应引起的自旋共振器中的非互易现象得到了快速发展，从而在光学非互易性[35]、[36]、[37]、[38]、非互易光子阻塞[39]、[40]、[41]、[42]、非互易量子纠缠[43]、[44]以及非互易混沌[45]、[46]等领域取得了快速进展。例如，2022年，Yu提出利用自旋共振器耦合两个光波导，从而实现了四端口量子环行器[47]。2023年，Burns提出将量子比特与自旋共振器连接起来，利用萨格纳克效应实现了非互易光传输和光机械诱导的透明性（OMIT）[48]。同时，Zhen及其同事介绍了一种由两个一维波导和一个与双能级原子相互作用的无声走廊模式共振器组成的路由器，证明了原子引起的量子干涉可以用来控制波导中的单光子传输[49]。

受到萨格纳克效应引起的非互易性和原子与共振器相互作用产生的量子干涉的启发，我们提出了一种集成了量子比特和自旋共振器的双波导四端口路由器。量子比特的加入显著改变了单光子的非互易传输特性。首先，我们分析了原子-共振器耦合对单光子传输特性的影响。特别是当光子与共振器共振时，由于原子引起的量子干涉，单光子在四个端口上的分布概率是相同的。随后，我们研究了共振器的旋转速度对单光子非互易传输的影响。可以看出，通过改变共振器的旋转速度和方向，可以产生单光子的非互易传输。最后，我们考虑了顺时针和逆时针光模式之间的后向散射效应，发现后向散射能够增强传输的非互易性，并证明了其对于单光子非互易传输的鲁棒性，因为它有助于打破宇称对称性[50]、[51]。

本文的其余部分安排如下：第2节中，我们利用哈密顿量（Hamiltonian）描述了系统的理论模型，并给出了计算方法和模型的解。第3节中，我们研究了单光子在静止和自旋共振器中的非互易传输特性。第4节中，我们探讨了在自旋共振器中加入后向散射对非互易光子传输的影响。最后，我们总结了研究结果并提出了最终的发现。

部分摘录

理论模型和方程

如图1所示，我们将一个静止的双能级原子与分别与波导a和b相互作用的自旋共振器耦合起来。这两个一维波导作为两个具有四个输入/输出端口的传输通道。自旋共振器包含顺时针（CW）和逆时针（CCW）两种光学模式，其频率分别为$\Omega >0$和$\Omega <0$，其中${\omega }_{\mathrm{cw}}={\omega }_c-{\Delta }_F$和${\omega }_{\mathrm{ccw}}={\omega }_c+{\Delta }_F$。这里${\omega }_c$是共振器的固有频率，${\Omega }_{}$