中山大学物理学院在室温强耦合单量子比特研究上取得重要进展_风闻

中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室王雪华教授团队在常温、常压下首次实现了确定性单量子点与单个金属纳米颗粒光子模的量子强耦合相互作用，为规模化制备室温固态单量子比特开辟了一条可行的路径。

单激子与光子的室温量子强耦合及其量子态调控是实现室温量子光电子器件及其固态量子芯片的核心基础，但室温下固态系统的巨大耗散使它的实现极为困难。自本世纪初，世界上众多研究组为攻克这一难题而竞相开展研究。直到2015年，瑞典Chalmers 理工大学Shegai研究组才把与表面等离激元强耦合的激子数降到了80个左右；2016年，英国剑桥大学Baumberg研究组在《自然》杂志报道了表面等离激元微腔与2.5个激子（统计平均）的室温量子强耦合；2017年，中山大学王雪华教授团队实现了1.38 个激子（统计平均）的室温量子强耦合 [PRL,118, 237401 (2017)]。但对室温可扩展固态量子信息处理具有特殊重要性的确定性单激子与单纳米颗粒光子模的室温量子强耦合一直未能实现。

在前期研究的基础上，王雪华教授团队就该问题开展了5年多的攻关研究。他们利用分子耦连技术和光照光力吸引原理，巧妙地将单个壳层量子点链接到单金纳米棒端部电场最强的热点位置。当该耦合系统与碳薄膜衬底形成“楔形腔”构型时，光场能够被更加有效地“拽入”并局域在量子点激子所在的壳层（如图 1所示），这可显著增强激子与光子的相互作用、从而克服室温下的巨大耗散。结合暗场散射光学测量与冷冻电镜断层成像技术，确认在常温常压下实现了单量子点与单个金属纳米棒光子模的量子强耦合 （如图 2所示），观测到了迄今为止单激子强耦合系统散射光谱的最大Rabi 劈裂（~234 meV）。

图 1 (a)  单根金纳米棒与单个量子点形成“锲形腔”构型的强耦合示意图；(b) 单个Au NR@QD1结构的x-y、x-z电场分布图，其中量子点被压在金棒一端的下方。(i)中的绿色虚线是电场分布的x-y视图数据提取的平面；(c) 归一化电场、耦合强度与距离（沿(b)中绿色箭头从金棒到量子点中心）的关系图。灰色竖虚线中间为量子点核区域，粉色区域示意系统达到辐射强耦合状态。

图 2 (a) 不同失谐量情况下单个Au NR@QD1杂化系统的暗场散射测量结果，其中图（ii）中的光谱劈裂高达~234 meV；(b) 实验数据（点图）及理论计算（线图）得到的杂化系统色散关系；(c) 色散关系上支(UPB)与下支(LPB)中的等离激元模式、量子点激子的相对占比；(d) “锲形腔”构型的电场分布图；(e) 室温下“锲形腔”构型与非“锲形腔”构型的Comsol仿真散射谱结果

相关研究成果以“Room-Temperature Strong Coupling Between a Single Quantum Dot and a Single Plasmonic Nanoparticle”为题，于2022年5月31日在线发表在国际著名学术期刊《Nano Letters》上。审稿人高度评价该成果是量子表面等离激元研究领域的一个突破性工作（“breakthrough level work”）。中山大学李筠瑜博士生和李威博士为该工作的共同第一作者，河南大学刘仁明教授（王雪华教授2016届博士毕业生）和中山大学王雪华教授为共同通讯作者。上述工作得到了广东省重点领域研发计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、广东省特支计划杰出人才项目等项目，以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室和物理学院的大力支持。

作者：李筠瑜