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Real-Time Quantum Vacuum Control in a Photonic Integrated Circuit

本文展示了一种在 GaAs 波导中单片集成的镜面–相移器–发射器系统，该系统利用纳米光电机械相移器主动控制量子点与其镜像之间的光学相位，从而实现对局部光学态密度和发射器辐射衰减速率的实时调制，以用于可编程量子光子网络。

原作者： Ying Wang, Celeste Qvotrup, Marcus Albrechtsen, Rodrigo Thomas, Zhe Liu, Sven Scholz, Arne Ludwig, Leonardo Midolo

发布于 2026-09-15✓ Author reviewed ⓘ

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原作者： Ying Wang, Celeste Qvotrup, Marcus Albrechtsen, Rodrigo Thomas, Zhe Liu, Sven Scholz, Arne Ludwig, Leonardo Midolo

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在量子物理学的微观世界中，光不仅仅是在传播；它还在与空间的本质结构进行着相互作用。即使在没有任何粒子的完美真空中，也存在着一种被称为“量子真空”的持续、跳动的能量嗡鸣声。这种背景噪声并非仅仅是理论上的奇观；它决定了一个原子或微型光源释放光子的速度。如果你将一个光源放置在镜子附近，镜子会将光反射回来，从而干扰试图离开的光。根据距离的不同，这种干涉可以加速光的释放，也可以减慢其速度，从而有效地改变光源周围真空本身的行为方式。几十年来，科学家们一直希望能够控制固态器件中的这种相互作用，而这些器件是未来量子计算机的基石。然而，在用于这些技术的微小、冰冻的电路中，传统的调谐方法都失败了，导致研究人员无法在设备制造完成后调整真空条件。

哥本哈根大学和鲁尔大学博赫姆的研究团队现在通过创造一种可以实时主动调节真空的设备，克服了这一限制。他们在由砷化镓（一种常见的半导体材料）制成的芯片上构建了一个微型电路。在这个芯片内部，他们放置了一个量子点，它充当了一个发射光的微型人工原子。为了控制这个原子如何与其周围环境进行相互作用，团队并没有使用第二个原子或复杂的镜像系统。相反，他们创造了一个“虚拟”镜面。他们在波导（一种引导光的狭窄通道）的一端放置了一个光子晶体反射器，并在量子点与该反射器之间插入了一个微小的、可移动的机械部件。通过施加微小的电压，他们可以物理性地移动该部件的位置，从而改变光在反射回来的之前所经过的距离。这种移动改变了返回光的相位，有效地改变了芯片内部的驻波模式。

其结果是一个研究人员可以根据意愿决定量子点是处于快速发射光的地点，还是被迫更长时间保留能量的地点。在实验中，他们观察到，通过调节电压，他们可以将量子点的衰减率（即释放能量的速率）改变超过百分之五十。当设置为最大发射时，光释放得更快；当设置为抑制时，光释放得更慢。至关重要的是，这种控制是在不破坏光纯度的前提下实现的。光子保持为单个且清晰的个体，这是任何有用的量子网络的基本要求。团队还发现，芯片输出的光强度会随着这些衰减率的变化而同步变化，这证实了他们成功操纵了发射源的局部环境。

这项成就具有重要意义，因为它解决了一个扩展量子技术的主要问题。在目前的固态系统中，这些发光点的位置是随机的，是由它们制造过程中的混沌过程决定的。一旦建成，点与周围环境之间的距离就是固定的，这意味着它与真空的相互作用被锁定了。如果一个点恰好处于一个糟糕的位置，设备的性能就会很差，而且无法修复。这种新设备充当了一个可编程的接口。通过集成一个可以以纳米级精度移动的机械相位移动器，研究人员可以在芯片制造完成后，将光的驻波与量子点对齐。这把一个静态的、潜在有缺陷的组件变成了一个可调谐的资源。团队证明了这种控制在量子点发射的广泛颜色范围内都是有效的，证明了该系统具有鲁棒性和多功能性。

该设备在接近绝对零度的极低温度下运行，这是量子点正常工作的必要条件。系统的机械部分极其微小，移动幅度仅为人类头发宽度的 fractions（一小部分），但它足以将光的相位移动一个完整的周期。研究人员测量了光发射所需的时间，并发现激发态的寿命可以根据需要缩短或延长。他们还验证了光仍然是单光子，这对于量子通信至关重要。通过绘制光强度和衰减率的变化图，他们能够精确地确定量子点在波导中的位置，精度约为一纳米。这种细致程度使他们能够在无需破坏设备的情况下，表征光源与波导之间连接的质量。

这项工作为构建大规模量子网络奠定了新的基础。在未来，此类电路可以将许多量子点连接在一起，使它们能够以复杂的方式进行通信和相互作用。控制这些发射器之间光相位的能力意味着科学家可以对相互作用进行编程，从而按需创建特定的量子态。研究人员指出，这种方法可以扩展到其他类型的量子发射器，并集成到更复杂的电路中，包括那些使用光学腔来增强光-物质相互作用的电路。通过使真空环境变得可编程，他们为构建可重构的量子光子电路开辟了一条道路，在这种电路中，光的行为可以根据计算或通信任务的需求进行实时工程化处理。这项研究证明，在固态芯片中实现对量子真空涨落的主动控制不仅是可能的，而且是实用的，为下一代量子技术提供了一条清晰的路径。

技术摘要：光子集成电路中的实时量子真空控制

问题陈述
固态量子发射器，特别是与光波导（WG）集成的 III–V 族半导体量子点（QD），为确定性光-物质相互作用和可扩展量子网络提供了一个极具前景的平台。然而，实现这些系统规模化的一个关键障碍是自组装量子点固有的空间随机性。这种随机性导致了跃迁偶极子与导模之间的耦合并非最优，并且至关重要的是，它在制造后固定了发射器之间的相对光学相位。因此，用于优化发射器-场耦合以及工程化集体量子态的集体相互作用和发射器所经历的局部光学态密度（LDOS）仍处于不可控状态。虽然主动相位控制对于优化发射器-场耦合和工程化集体量子态至关重要，但此类功能在集成光子电路中一直难以实现，尤其是在传统的热光相位控制在极低温环境下效率极低的条件下。

方法论
为了解决这一问题，作者展示了一种单片集成的系统，该系统位于含有自组装铟砷（InAs）量子点的砷化镓（GaAs）波导中。其核心架构由三个组件按顺序排列组成：一个宽带光子晶体镜、一个纳米光电机械系统（NOEMS）槽波导相移器以及量子点发射器。

该系统基于“可移动镜面”原理运行。光子晶体镜反射量子点发出的场，从而产生发射器的虚像。位于量子点与镜面之间的 NOEMS 相移器通过静电执行器使两个耦合波导之间的纳米级间隙发生机械变化，从而调制反射场的相位。这有效地调节了量子点与其镜像之间的相位差，从而改变了波导中形成的驻波的干涉条件。

该器件使用基于软掩模的纳米制造工艺在无掺杂 GaAs 薄膜上制备而成。NOEMS 相移器具有对称的槽波导（间隙 150 nm，长度 10 µm），并被设计为兼容低温环境。系统在 3.8 K 下通过使用脉冲激光进行带上激发进行表征。通过在施加于相移器的电压进行扫描时，进行时间分辨荧光光谱和二阶相关测量（ $g^{(2)}(\tau)$ ），以观察衰减动力学和发射强度的变化。

主要贡献

实现片上可移动镜面： 本工作在集成电路中实现了经典 Drexhage 实验的 1D 片上光学实现，在该实验中，通过改变与镜面的距离来控制自发辐射速率。与自由空间实现不同，这是在一个紧凑的集成电路中实现的，其中镜面距离发射器约 30 µm（ $\sim70\lambda$ ）。
低温环境下的主动相位控制： 通过利用基于 NOEMS 的相移器，作者克服了热光控制在低温下的低效问题，实现了固态光学发射器的动态真空场工程。
耦合情况的原位表征： 对自发辐射速率和单光子强度进行调制，为直接原位探测发射器-波导耦合效率（ $\beta$ 因子）和系统损耗提供了手段，而这在传统的静态器件中是无法实现的。

结果

宽带调制： 系统在整个发射光谱（900–1000 nm）范围内展示了量子点衰减速率的宽带调制。相移器成功调节了发射场与反射场之间的干涉，从而移动了驻波的节点和波腹。
衰减速率与强度调制： 作者观察到辐射衰减速率的调制深度超过 50%。具体而言，寿命在 $1.00 \pm 0.08$ ns（增强发射）和 $1.53 \pm 0.08$ ns（抑制发射）之间调制，对应于总可见度 $\nu_\gamma = 0.27 \pm 0.04$ 。强度可见度测量值为 $\nu_I = 0.48 \pm 0.01$ 。
保持单光子特性： 尽管衰减速率发生了显著变化，但单光子纯度得到了保持。二阶相关测量得到的 $g^{(2)}(0)$ 值约为 0.04%，证实了强反聚束效应。在增强发射条件下，相关峰的半高全宽（FWHM）减小，这与缩短的激子寿命一致。
发射器位置映射： 通过分析多个量子点的调制可见度，作者推断了发射器在波导模式内的横向空间偏移。结果表明，量子点分布在不同的偏移范围内，有些靠近波导中心，有些则靠近边缘，验证了该技术作为表征发射器-场耦合工具的有效性。

意义
论文声称，这项工作建立了量子点波导量子电动力学（QD-WG QED）中的主动相位控制，将静态的发射器-波导相互作用转变为可编程资源。这种功能为以下领域提供了可扩展的基础：

原位优化： 尽管存在空间随机性，仍能实现单个发射器-场耦合的优化。
可编程相互作用： 为实现多个发射器之间的可编程相互作用开辟了路径，这是大规模量子光子网络的前提条件。
可重构电路： 为相位工程化的单光子源和可重构的多体量子光子电路奠定了基础。

作者指出，虽然目前的系统使用带上激发，这限制了对偶极跃迁的独立分辨率，但所展示的架构与未来涉及共振激发和电荷稳定化的实现方式兼容。此外，机械驱动方法被认为适用于其他固态平台，包括金刚石中的色心和硅光子学，并可能扩展到用于动态控制强增强光-物质相互作用的腔 QED 架构。

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