近日，瑞士巴塞尔大学的研究团队发表了一项开创性研究，宣布他们成功实现了单光子发射器与声子晶体谐振器的精确耦合。这一创新成果使得单声子控制成为可能，为未来量子声学技术的发展带来广阔前景。该工作以“A single-photon emitter coupled to a phononic-crystal resonator in the resolved-sideband regime”为题，发表在《Nature Communications》上。
创新技术突破：单光子-声子耦合系统的首次实现
量子力学和机械运动的相互作用一直是科学界关注的焦点，而实现单个量子系统与机械谐振器的耦合在量子计算、精密测量等领域具有重要意义。此次研究中，巴塞尔大学的科学家们突破了多个技术难题，成功将单光子发射器与一个小型声子晶体谐振器实现耦合。声子晶体谐振器由180纳米厚的砷化镓（GaAs）膜构成，其机械频率达1.466 GHz，具备高达2.1×10³的机械品质因数，确保系统在极端环境下也能保持稳定的机械振动特性。
研究团队在谐振器中采用自组装的铟砷（InAs）量子点作为单光子发射器。通过这种创新设计，他们克服了传统光学腔的局限，借助紧凑的声子晶体结构在亚波长体积内实现了高效的光-声耦合。在耦合过程中，量子点的激子态通过应变位形势与晶格振动耦合，从而产生声子响应。这种耦合率（约为2.9 MHz）和极小的模态体积显著增强了量子点对机械振动的灵敏度，为探测并控制单个声子的产生和湮灭奠定了基础。
图1：物理概念示意图。
实验设计：量子点与声子晶体谐振器的精确匹配
为实现单光子-声子系统的高效耦合，研究团队设计了具备多层结构的声子晶体谐振器，并将量子点嵌入到与谐振器的中心位置。声子晶体谐振器的设计采用了七个声子屏蔽单元孔，确保机械振动被有效地隔离在谐振器的核心区域。这样一来，系统内的机械振动模式被高度集中于谐振器中部，提供了均匀的应变场，以此增强量子点的光学响应。
在实验中，研究团队通过精确调整激光器的光频率与谐振器的共振频率实现了蓝侧带激发，使得量子点能够按需生成声子。同时，他们利用自相关测量技术观察到了发射光子的统计特性，成功检测到系统中少量声子（平均声子数约为58）的存在。在实验温度4.2 K下，团队通过频谱分析和傅里叶变换等量子光学方法，精确测量了声子的机械共振频率及其品质因数，确认了谐振器的状态。
实验结果：单光子-声子系统的高效耦合与量子控制
通过这套实验系统，研究团队实现了在单光子-声子系统中观测机械振动的高灵敏度。当激子态的有效拉比频率与声子共振频率相匹配时，系统的相互作用达到了最强。这一共振条件不仅允许研究人员检测热驱动的机械振动，还通过频谱噪声的变化，进一步确认了激子-声子之间的耦合速率。实验中测得的激子-声子耦合率高达2.9 MHz，这一数值接近模拟值3.2 MHz，标志着单光子发射器和声子晶体谐振器的高效耦合在技术上的重要突破。
此外，研究人员还发现，谐振器的机械品质因数达到2.1×10³，机械振动的损耗率极低，证明了声子屏蔽的有效性。该系统具备较高的Q·f（品质因数×频率）乘积，使得在系统失去相干性之前可以实现多达34次机械振荡，为进一步的量子控制提供了可能。
研究意义与未来展望
该研究的成功实现表明，量子点与声子晶体谐振器的耦合能够为量子力学应用带来全新视角。未来，通过改进系统的结构参数、提升耦合率及降低系统温度，有望在量子系统中实现单声子的精确控制，为量子计算、超高灵敏度测量等技术领域提供新的解决方案。研究团队表示，通过进一步优化谐振器的机械品质因数和耦合强度，系统将能够在更低温度（如100 mK）下工作，实现更小的平均声子数（<1），满足单声子量子实验的需求。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53882-2
