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该研究团队提出了一种基于平面合作性里德堡阵列的四波混频与量子散射的单光子转换方案，该方案兼具高效性和强方向性，有望实现太赫兹至光学波段的频率转换。该方案采用双激光驱动系统，将系统相干囚禁于暗基态，并将可能位于太赫兹波段的信号跃迁与可能位于光学波段的闲置跃迁耦合。发射体间光子介导的偶极-偶极相互作用在信号和闲置跃迁上均会形成集体超辐射/亚辐射偶极模式。由于阵列在信号跃迁上具有合作效应，入射信号光子可高效耦合至阵列中，并通过驱动场混合至偶极闲置模式。在特定临界条件下，该混合会形成主要衰变为特定高方向性光学光子的超辐射闲置模式，该光子将在阵列平面内传播。该光子可进一步耦合至现有量子器件进行后续处理。研究团队采用散射算子形式体系推导了调控这一两步过程的共振与临界条件，并获得了解析转换效率。对于无限大晶格，研究人员预测特定空间方向的转换效率最高可达50%，而无定向总转换效率可能更高。针对N²个发射体构成的有限阵列分析表明，输出会准直为以1/√N收窄的波瓣。该方案融合了自由空间四波混频的宽带接收特性与合作超表面的高效性、方向性和可调谐性，为天文光谱学、量子网络稀疏孔径成像及其他量子传感应用中的量子相干太赫兹探测与处理提供了新路径。