单光子是量子信息和量子通讯过程中量子比特的理想载体。近红外波段的光子在光纤和大气中的传输损耗低，可以用来进行远距离量子信息传输。但是，有效的单光子探测和存储需要在可见光波段进行。要实现以单光子为载体的量子信息有效传输、调控和存储，单光子水平的频率转换显得尤为重要。关于单光子频率转换，已有很多优秀的工作，大通量情况和单光子情况下高效的频率转换已经在不同的系统中被实现。然而，大部分高效的光子频率转换中，输入光子的频率和输出光子的频率是固定不可调控的。只有在少数的工作中，输出光子的频率可以在很小的范围内进行调节，但是这种调节显著降低频率转换的效率。
    最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）理论室的范桁研究员、博士后闫伟斌与中科院理论物理所的黄金凤博士合作，对可调控的有效单光子频率转换进行了理论研究，取得了进展。他们设计了Sagnac干涉仪和一个五能级原子耦合的模型。他们引入两个外加激光场来驱动五能级原子能级之间的跃迁。通过计算发现，当输入一定频率的单光子时，输出光子的频率可以通过调节外加驱动场的频率来调节。另外，频率转换的效率可以通过调节外加驱动场的拉比频率来控制。理论结果表明，在转换效率保持较高值的前提下，输入光子和输出光子的频率可以在很大的范围内调节。单光子频率转换是光学系统量子计算和量子信息处理的关键组成部分，这种有效而频率可调的方案将会有助于实现实用化量子通讯和量子信息处理。
    相关的研究得到科技部973计划，国家自然基金委员会以及中国科学院的支持。该工作近期发表在Scientific Reports上 （Scientific Reports 3, 3555 (2013)）；[http://www.nature.com/srep/2013/131219/srep03555/full/srep03555.html ]。

图1 系统的模型图。原子的能级跃迁\(\arrowvert a \rangle \leftrightarrow  \arrowvert b \rangle\)和\(\arrowvert d \rangle \leftrightarrow  \arrowvert c \rangle\)与波导管环中的光子耦合，耦合强度分别为g1和g2。跃迁\(\arrowvert a \rangle \leftrightarrow  \arrowvert f \rangle\)和\(\arrowvert d \rangle \leftrightarrow  \arrowvert f \rangle\)由外加激光场驱动。外加激光场的拉比频率分别为Ω1和Ω2。

图2 在两个外加激光场共振驱动原子能级跃迁以及拉比频率满足条件\(\frac{g_1}{g_2}=\frac{\Omega_1}{\Omega_2}\)的情况下，被转换的几率（蓝色的实线）以及未被转换的几率（红色的虚线）随入射光子与原子能级之间的失谐量的变化。（a）、（b）、（c）、（d）中耦合系数以及拉比频率的取值不同。

图3 理想情况下，当转换效率达到100%时，两个外加驱动场的拉比频率随驱动场和原子能级跃迁之间的失谐量的变化。输入光子和输出光子之间的频率差由驱动场和原子能级跃迁之间的失谐量决定。（a）和（b）分别表示拉比频率Ω1和Ω2随两个失谐量的变化。(c)和（d）表示当其中一个失谐量Δ1固定时，拉比频率随另一个失谐量Δ2的变化。由图3可以看到，在保持理想状态下100%转换效率的前提下，输入光子和输出光子的频率可以在很大的范围内调节。

图4 （a）、（b）、（c）为考虑耗散后频率转换效率随Δa的变化。蓝色线表示被转换光子的几率，红色的虚线表示未被转换的光子的几率，黑色的点虚线是前两个几率的相加，即经历耗散后系统中光子的总几率。（a）中的参数对应图2中拉比频率取较小值的情况，（b）中的参数对应图2中拉比频率取较大值的情况，（c）中的参数对应图3的情况。（a）、（b）、（c）中蓝色线的峰值对应理想状态下转换效率为100%的情况。（d）为被转换的几率与总几率的比值，蓝、红、黑线分别对应（a）、（b）、（c）中的情况。可以看到考虑耗散后，转换效率仍然可以达到较大的值，并且可以保证得到的光子极大几率为被转化后的光子。另外，为了避免较大的耗散，拉比频率不能取太小的值。