撰稿人 | 刘仁明 刘进
论文题目 | Near-field strong coupling and entanglement of quantum emitters for room-temperature quantum technologies
作者 | Daniel D. A. Clarke，Ortwin Hess*
完成单位 | 都柏林大学圣三一学院
研究背景
当前，随着量子信息技术的迅猛发展，人们对量子态的制备与精确操控提出了越来越高的要求。单个量子辐射子（诸如原子、分子、量子点等）与光腔之间的强耦合则为人们在单光子水平制备和操控量子态提供了一种有力手段，因此其长期以来一直是量子光学、腔-量子电动力学等领域的核心研究内容之一。一方面，光腔为人们探索量子力学基本现象提供了一个重要的研究平台；另一方面，它对人们基于光-物质相互作用发展先进量子技术至关重要，这些先进的量子技术包括光子量子计算与密钥、量子通讯、量子传感以及量子精密测量等。然而，由于光-物质强耦合状态的易碎性，实现或维持这样状态通常需要具有极高品质因子的光腔以及低温、高真空等操控条件，一定程度上影响了量子器件的应用成本及其实用性。
随着量子纳米光子学的兴起和快速发展，纳米技术与光子量子信息处理之间建立了广泛的联系，为推动量子技术超越其当前技术限制提供了广阔的前景。在纳米光子器件中，等离激元纳腔以其卓越的能力——能够将光子局域在突破光学衍射极限的极亚波长空间内，并通过表面等离激元共振模式显著增强局域电磁场，为光-物质室温强耦合作用以及极端纳米光子学的探索提供了理想平台。因此近年来，关于等离激元-辐射子室温强耦合作用的研究方兴未艾，并不断取得突破，为光腔及光驱动量子技术的发展开辟了新的前景。
主要研究内容
为了跟进基于等离激元纳腔的室温量子技术研究进展，Daniel D. A. Clarke等在其Perspective文章中介绍了常温、常压条件下，利用纳米等离激元结构实现强耦合传感、超快单光子发射以及多量子比特纠缠的研究进展。文章首先介绍了一种新的量子等离激元免疫测定方法，该方法将生化传感技术与最新量子强耦合研究成果相结合，利用室温强耦合等离激元纳腔显著提高了测定灵敏度，达到了单分子检测极限，展示了等离激元-辐射子室温强耦合系统在超高灵敏检测方面的研究进展。其次，文章从理论上展示了一种实现单光子发射与硅量子点多体纠缠的有趣方案。该方案利用等离激元近场反射光场进行次衍射聚焦，极大地增强了光-物质相互作用，从而产生单光子发射，其速率可达10−100 fs−1。重要的是，该结构的近场还能够被操控用于实现动态多粒子纠缠，从而构建了一个二量子比特逻辑门——可控量子非门，为量子计算及量子网络的研究提供了新的视角。
技术突破与创新
图1 量子等离激元免疫传感。
上图中（a）等离激元-单辐射子室温强耦合系统用于单一分析物传感检测装置示意图。（b）强耦合（Rabi劈裂型）量子传感器与经典（共振峰位移型）等离激元传感器的性能比较。（c）等离激元-单辐射子强耦合系统光致发光和消光光谱对比。（d）具有不同二聚体间隔的等离激元-单辐射子强耦合系统中辐射子极化P(t) 随时间的演化。（e）在经典和量子状态下，作为分析物与辐射子复合体的传感品质因子随分析物-辐射子复合体表面密度的变化。
观点评述
利用等离激元纳腔实现量子辐射子近场强耦合及量子纠缠等是室温量子技术研究中的一项具有重要意义的工作。通过等离激元纳腔卓越的光子局域能力和场增强能力，能显著推进量子技术在紧凑性、能效、运行速度、温度鲁棒性和可扩展性等方面突破当前的技术限制。未来一旦技术成熟，将为下一代室温量子器件的发展赋能。
主要作者介绍
Ortwin Hess是一位出生于德国的理论物理学家，现就职于爱尔兰都柏林圣三一学院和英国伦敦帝国理工学院，从事凝聚态光学研究。他将凝聚态理论与量子光学相结合，专攻量子纳米光子学、等离子体学、超材料和半导体激光动力学。自 1980 年代末以来，他已撰写和合著了 300 多篇同行评议文章，其中最受欢迎的一篇名为“超材料中光的‘捕获彩虹’存储”，被引用超过 400 次。他率先发明了主动（增益增强）纳米等离子体学和具有量子增益的超材料，并于 2014 年引入了“停止光激光”原理，作为无腔（纳米）激光和放大表面等离子体极化子定位的新途径，他的 h 指数为 33。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00148-1
文献检索：
PhotoniX 5, 33 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00148-1
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