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Laser & Optoelectronics Progress

新型固体材料中的单光子源：从调控到集成（特邀）

刘晓婧 Liu Xiaojing, 刘越 Liu Yue, 曲广媛 Qu Guangyuan, 任希锋 REN Xifeng

Published Jan 1, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

固体材料中的单光子源是利用固态材料中的点缺陷或激子产生单光子辐射的一种量子光源，这类光源具有高稳定性、易于操作、高集成度和高效率等优点，在量子信息处理、量子传感和量子光学等领域具有广泛的应用前景。本文首先对不同类型的新型固态材料中的单光子源进行分类介绍和优劣比较，并重点探讨调控单光子源性能的常见方法和技术，包括应力工程、温度调控、电场调谐和表面等离激元耦合等。然后介绍了新型固体材料中单光子源在集成光芯片方面的最新进展与挑战，以及在量子通信、量子计算和量子密钥分发等方面的应用实例。最后总结了该研究领域目前存在的挑战和未来的发展方向，旨在为读者提供关于新型固态材料单光子源的全面而简明的概述。

DOI
10.3788/lop250673

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光量子信息中相位锁定控制技术的进展（特邀）

Xueshi Guo, 丘丰豪 Qiu Fenghao, 李文奇 Li Wenqi +1 more

量子信息技术是量子力学与信息科学相结合的新兴学科，在计算、通信和精密测量等领域有望实现革命性进步。光量子系统具有低传输损耗和常温下低噪声耦合等优点，是量子信息技术的重要组成部分。为有效利用光量子系统的低噪声和强量子关联特性，相位锁定控制技术广泛应用于量子态的产生、模式调控和量子态探测等方面。本文综述了光量子信息领域中相位锁定控制技术的研究进展，包括该技术的原理、在光量子信息系统中的典型应用和在微弱光强条件下的实现方案，同时展望了该技术的发展方向。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•3 citations

光量子精密测量研究进展（特邀）

王犇 Wang Ben, 张利剑 Zhang Lijian

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一，近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数，利用量子资源进行量子增强测量，以提升参数测量精度。与其他物理系统相比，光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性，因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理，给出参数估计的量子极限精度下界。同时，介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2024•11 citations

多光子干涉在量子计算及量子机器学习中的研究进展（特邀）

占浩 Zhan Hao, 胥亮 Xu Liang, 张利剑 Zhang Lijian

多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

非对称量子光学与量子信息技术：从手性到非互易（特邀）

唐江山 Tang Jiangshan, 唐磊 Tang Lei, 陈明远 Chen Mingyuan +3 more

非对称量子光学研究光与物质量子相互作用中手性与非互易性及其应用，能提供对称量子光学体系没有的独特量子信息调控技术。作为其核心组成部分，手性量子光学最初源于自旋-动量锁定机制，即光的传播方向与偏振态之间的耦合。随着研究不断深入，该领域已发展出多种体现传播方向相关性的相互作用机制，包括极化-动量锁定、定向量子压缩、库工程及高维轨道角动量诱导的手性相互作用等。这些机制从不同自由度揭示了方向选择性与系统响应之间的深层耦合关系，推动了对手性与非互易物理本质的重新认识。在此基础上，本综述提出“广义手性量子光学”的分析框架，强调将自旋、传播方向与轨道角动量等自由度下的响应不对称性纳入统一范式。进一步探讨了手性机制与拓扑光子结构、非厄米系统的融合，展示了其在构建具有方向性、鲁棒性与非平衡调控能力的量子平台中的潜力。作为连接基础光学与量子信息技术的桥梁，非对称量子光学为单向光子传输、非互易量子网络与高灵敏度量子传感等方向提供了新思路，并正在向高维、集成化与可拓展化的体系演进。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•0 citations

腔量子电动力学中光子阻塞效应的研究进展（特邀）

唐静 Tang Jing, 邓元刚 Deng Yuangang

光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•3 citations

强激光场驱动的原子里德堡态激发及电离（特邀）

赵勇 ZHAO Yong, 周月明 ZHOU Yueming

强场飞秒激光作用于原子时，原子中的电子除了发生多光子电离、隧穿电离等过程外，还有很大的概率处于高激发态。这种高激发态的原子在超强超短激光场中非常稳定，并且与强场中的其它许多现象密切相关，例如，中性粒子加速、多光子拉比振荡、近阈值谐波辐射等，因此近十几年来是强场超快物理领域的研究热点之一。在这些研究中，强激光场中里德堡原子的产生机制、激光对里德堡态的调控、里德堡态强场电离及稳定性等，是关注的主要问题。本文将概述强激光驱动的里德堡态的产生机制，包括多光子共振激发，受挫隧穿电离等。重点介绍强激光场驱动的里德堡态原子激发过程中的多种干涉现象。这些干涉现象提供了里德堡原子强场激发的动态过程信息。同时，还将介绍激发态原子在强激光场中的电离过程，特别是圆偏光驱动的里德堡原子电离的圆二色性。

ACTA PHOTONICA SINICA•Jan 1, 2023•0 citations
固体材料中的单光子源是利用固态材料中的点缺陷或激子产生单光子辐射的一种量子光源，这类光源具有高稳定性、易于操作、高集成度和高效率等优点，在量子信息处理、量子传感和量子光学等领域具有广泛的应用前景。本文首先对不同类型的新型固态材料中的单光子源进行分类介绍和优劣比较，并重点探讨调控单光子源性能的常见方法和技术，包括应力工程、温度调控、电场调谐和表面等离激元耦合等。然后介绍了新型固体材料中单光子源在集成光芯片方面的最新进展与挑战，以及在量子通信、量子计算和量子密钥分发等方面的应用实例。最后总结了该研究领域目前存在的挑战和未来的发展方向，旨在为读者提供关于新型固态材料单光子源的全面而简明的概述。
量子信息技术是量子力学与信息科学相结合的新兴学科，在计算、通信和精密测量等领域有望实现革命性进步。光量子系统具有低传输损耗和常温下低噪声耦合等优点，是量子信息技术的重要组成部分。为有效利用光量子系统的低噪声和强量子关联特性，相位锁定控制技术广泛应用于量子态的产生、模式调控和量子态探测等方面。本文综述了光量子信息领域中相位锁定控制技术的研究进展，包括该技术的原理、在光量子信息系统中的典型应用和在微弱光强条件下的实现方案，同时展望了该技术的发展方向。
量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一，近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数，利用量子资源进行量子增强测量，以提升参数测量精度。与其他物理系统相比，光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性，因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理，给出参数估计的量子极限精度下界。同时，介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。
多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。
非对称量子光学研究光与物质量子相互作用中手性与非互易性及其应用，能提供对称量子光学体系没有的独特量子信息调控技术。作为其核心组成部分，手性量子光学最初源于自旋-动量锁定机制，即光的传播方向与偏振态之间的耦合。随着研究不断深入，该领域已发展出多种体现传播方向相关性的相互作用机制，包括极化-动量锁定、定向量子压缩、库工程及高维轨道角动量诱导的手性相互作用等。这些机制从不同自由度揭示了方向选择性与系统响应之间的深层耦合关系，推动了对手性与非互易物理本质的重新认识。在此基础上，本综述提出“广义手性量子光学”的分析框架，强调将自旋、传播方向与轨道角动量等自由度下的响应不对称性纳入统一范式。进一步探讨了手性机制与拓扑光子结构、非厄米系统的融合，展示了其在构建具有方向性、鲁棒性与非平衡调控能力的量子平台中的潜力。作为连接基础光学与量子信息技术的桥梁，非对称量子光学为单向光子传输、非互易量子网络与高灵敏度量子传感等方向提供了新思路，并正在向高维、集成化与可拓展化的体系演进。
光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。
强场飞秒激光作用于原子时，原子中的电子除了发生多光子电离、隧穿电离等过程外，还有很大的概率处于高激发态。这种高激发态的原子在超强超短激光场中非常稳定，并且与强场中的其它许多现象密切相关，例如，中性粒子加速、多光子拉比振荡、近阈值谐波辐射等，因此近十几年来是强场超快物理领域的研究热点之一。在这些研究中，强激光场中里德堡原子的产生机制、激光对里德堡态的调控、里德堡态强场电离及稳定性等，是关注的主要问题。本文将概述强激光驱动的里德堡态的产生机制，包括多光子共振激发，受挫隧穿电离等。重点介绍强激光场驱动的里德堡态原子激发过程中的多种干涉现象。这些干涉现象提供了里德堡原子强场激发的动态过程信息。同时，还将介绍激发态原子在强激光场中的电离过程，特别是圆偏光驱动的里德堡原子电离的圆二色性。