近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究团队，发表了一项创新研究，宣布他们成功开发出一种结合声子与光子的新型量子点系统。这种量子点系统能够通过光声协同控制，实现对量子点状态的精确调控，并大幅提升光学到微波量子信息转换的保真度。该工作以“Coherent dynamics in an optical quantum dot with phonons and photons”为题，发表在《Optica》上。
在这一开创性的研究中，研究团队基于铟砷半导体量子点，将其置于表面声波（SAW）谐振器中，通过工程化的光脉冲和机械运动（即声子与光子的相互作用）实现量子点的状态控制。实验表明，在适当的声波驱动强度下，该系统可优化量子点的光子散射行为，从而实现高效的量子微波-光学转换。这一成果为量子计算、量子通信及其他涉及量子光学与声学的高精度应用开辟了新的技术路径。
探索光声耦合新领域
光声耦合技术近年来已成为量子技术领域的一个重要方向。传统光学谐振腔主要用于将光场限制在特定区域，以实现光-机械的相互作用。然而，这类谐振腔仅能以经典波动的方式工作，未能完全利用量子效应。此次研究通过引入半导体量子点作为一个两能级系统，不仅突破了经典光声谐振的限制，还实现了真正意义上的量子态控制。这一新颖的设计使光子与声子的协同控制成为可能，从而增强了量子点的散射光谱，为进一步的量子转换提供了全新视角。
图1：物理概念示意图。
光子-声子协同控制
在实验中，研究人员利用光脉冲和声波的联合作用，控制量子点的激发态，从而实现在量子点状态上对声子-光子过程的调节。研究人员发现，通过选择合适的光脉冲形状，可以显著增强声子辅助的光子散射，同时抑制无声子激发导致的背景噪声。这一效果在传统的光学谐振腔系统中难以实现。
实验团队还采用光频谱分析方法，观察量子点的散射频谱，发现其中包含多个独特的散射通道，包括类瑞利散射（Rayleigh scattering）和光致发光通道。在声子辅助激发下，量子点的散射频谱展现出随时间变化的动态特性，这进一步证实了光子和声子的成功耦合，证明该量子点系统能够在外部声波驱动下实现可控的相干激发。
量子信息处理新路径
这项研究为量子信息处理应用带来了新的可能性。光声协同控制的实现使得微波和光子之间的量子信息转换更加高效可靠，在需要极高转换保真度的量子通信、量子计算及量子感应领域具有广泛的应用前景。
研究团队表示，未来他们将进一步优化量子点的光谱稳定性，并在微尺度机械谐振器中探索更多复杂的光脉冲调控方式。这不仅有望提高光声系统的量子态调控精度，还可以大幅减小系统的散射噪声，使之更适用于实际应用中的量子态准备和读取。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.537726
