[论文解读] Nanoscale Quantum Optics

Irene D’Amico, Dimitris G. Angelakis+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 217被引用 6

一句话总结

本综述综合了近期在纳米尺度量子光学领域的进展，聚焦于在纳米尺度上控制光与物质的相互作用，以推动量子技术的发展。文章详细阐述了利用纳米光子平台（如量子点、金刚石中的色心、等离子体结构和光子集成电路）生成、探测和操控光的量子态的进展，关键成果涵盖量子信息、传感和能效提升等方面。

ABSTRACT

Nanoscale quantum optics explores quantum phenomena in nanophotonics systems for advancing fundamental knowledge in nano and quantum optics and for harnessing the laws of quantum physics in the development of new photonics-based technologies. Here, we review recent progress in the field with emphasis on four main research areas: Generation, detection, manipulation and storage of quantum states of light at the nanoscale, Nonlinearities and ultrafast processes in nanostructured media, Nanoscale quantum coherence, Cooperative effects, correlations and many-body physics tailored by strongly confined optical fields. The focus is both on basic developments and technological implications, especially for what concerns information and communication technology, sensing and metrology, and energy efficiency.

研究动机与目标

• 整合纳米尺度量子光学（NQO）在四个核心研究领域中的最新进展：量子态的生成/探测、非线性效应、量子相干性以及多体效应。
• 通过在室温下实现强且可控的纳米尺度光-物质相互作用，弥合量子物理与光子器件之间的鸿沟。
• 识别并推进可扩展量子光子学的关键技术，包括集成光路、高效率探测器和单自旋传感器。
• 促进材料科学、量子光学与纳米光子学领域之间的合作，共同实现技术和科学目标。
• 通过标准化、集成化和用户友好平台，加速NQO研究成果向工业应用的转化。

提出的方法

• 系统性综述NQO领域的实验与理论进展，依据COST行动MP1403路线图。
• 分析光子晶体、等离子体波导、纳米纤维和光机械系统等纳米光子平台，以增强光-物质耦合。
• 评估量子点、色心（NV、SiV）、二维材料和有机分子等量子发射体在实现确定性单光子发射方面的性能。
• 研究芯片集成系统，如超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、光子集成电路和微腔极化子器件。
• 考察冷原子-纳米光子学界面、超材料和石墨烯等离子体学等先进技术，用于调控光学场。
• 评估数值建模工具及支撑技术（激光器、低温设备、高速电子学）在模拟与实现NQO系统中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用固态发射体与纳米光子结构，在纳米尺度高效生成、调控和存储光的量子态？
• RQ2 在纳米结构光学介质中实现强非线性效应与超快动力学的基本极限与机遇是什么？
• RQ3 如何利用强约束的光学场，工程化纳米尺度的量子相干性与多体关联？
• RQ4 将单光子源、探测器与处理单元集成到可扩展光子芯片中的关键技术路径有哪些？
• RQ5 如何实现NQO平台的商业化与部署，使其在工业和生命科学应用中超越学术研究？

主要发现

• 高效率、宽谱带的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）现已实现即插即用操作，具备高时间分辨率、高探测效率和光子数分辨能力。
• 基于芯片的光机械系统已冷却至其量子基态，实现了相干光-声子相互作用，为量子控制提供了可能。
• 基于量子点和金刚石中色心的确定性、高重复率单光子源，通过纳米制造技术增强了耦合效率，已成功实现。
• 光子集成电路现已支持单光子的路由与干涉，实现了玻色采样等量子协议的片上实现。
• 具有氮空位中心的纳米制造金刚石传感器可实现纳米尺度空间分辨率的单自旋探测，具有高灵敏度，适用于生命科学与材料失效分析。
• 产业界积极参与推动了NQO技术的商业化，包括集成SNSPD和即用型量子光子系统，尽管在扩展性和标准化方面仍面临挑战。