研究背景：
腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics, cQED）是研究光与物质相互作用的重要物理平台，在量子网络、量子计算、量子光源和量子接口等方向具有广泛应用前景。作为典型的固态量子发射体，自组装量子点兼具类原子离散能级结构、高发光效率以及与半导体工艺兼容等优势，被认为是构建大规模片上量子光子芯片和分布式量子网络最有潜力的技术路线之一。然而，片上可扩展固态腔量子电动力学的发展长期受到多重关键瓶颈制约。首先，自组装量子点在生长过程中具有随机性，不同量子发射体之间普遍存在明显的频率失配；其次，微纳光学腔对结构尺寸极为敏感，微小的制备偏差便会引起腔模共振频率漂移，难以保证不同器件之间的一致性；此外，现有主流固态cQED器件，如微柱腔、Bragg腔等，大多采用垂直出射结构，不利于片上光路的高效路由和分布式节点互联。上述问题严重限制了固态腔量子电动力学向大规模光量子芯片和量子网络应用的进一步拓展。
针对这一系列挑战，中国科学院上海微系统与信息技术研究所张加祥研究员、欧欣研究员团队联合中国科学技术大学霍永恒教授团队，在全固态可扩展腔量子电动力学研究方面取得重要进展。研究团队提出并实现了一种基于自组装量子点与薄膜铌酸锂（thin-film lithium niobate, TFLN）混合集成的新型腔量子电动力学平台，首次在片上实现了量子点单光子源与平面微环谐振腔的双自由度独立调控，为构建大规模、可扩展的全固态cQED系统提供了新的技术方案。相关成果以 “Scalable All-Solid-State Cavity QED on a Hybrid Quantum QD–Lithium Niobate Platform” 为题，发表于国际学术期刊 npj Quantum Information。
研究亮点：
（1）构建量子点—铌酸锂混合集成腔量子电动力学平台
研究团队基于自主发展的高精度“微转印”（micro-transfer printing）混合集成技术，将含有自组装量子点的GaAs波导以百纳米级精度确定性转移并贴合到X-cut薄膜铌酸锂跑道型微环谐振腔上，构建了新型混合集成cQED器件。
针对传统混合谐振腔中GaAs材料引入散射和吸收损耗的问题，团队创新提出“三维非均匀约束设计”：仅使GaAs波导覆盖微环谐振腔的一小部分，并结合绝热过渡的欧拉弯曲（Euler bends）结构设计，有效降低了材料引入损耗，在保持量子点与腔模高效耦合的同时，实现了平面波导中的低损耗光传输与片上路由。该架构使铌酸锂微腔的本征品质因子达到2.52×105，混合集成后的腔模品质因子仍高达1.9×104，为构建兼具高品质腔模与平面互联能力的全固态cQED平台奠定了基础。
（2）发展基于铌酸锂压电效应的片上局域应变调控技术
依托薄膜铌酸锂优异的逆压电效应，研究团队发展出片上局域应变调控技术。通过在微纳电极上施加控制电压，器件局域区域可产生可控应变场，从而对波导耦合量子点的发射能量实现精确、动态且可逆的调节。实验结果表明，该方法具有三大突出优势。超宽调谐范围：量子点发射波长连续调谐范围达到 4.82 nm（7.30 meV），超过量子点变换极限线宽三个数量级。高稳定性与高重复性：在多次电压循环以及极低温环境下，量子点调控结果表现出优异的一致性和稳定性。保持优良光学品质：应变调控过程中未观察到对量子点固有发光线宽的明显劣化。该技术为解决固态量子发射体频率失配问题提供了高效可扩展的片上调控手段。
（3）实现发射体与腔模双自由度独立调控
在实现量子点应变调控基础上，研究团队进一步利用薄膜铌酸锂优异的电光效应，在微环谐振腔两侧引入电光调控电极，实现腔模共振频率的独立调节。通过应变场与电场的协同作用，器件实现了发射体与腔模的双自由度控制：应变场用于调控量子点发射频率；电光效应用于调控微环谐振腔腔模频率。这一双场协同调控机制突破了传统气体冷凝、局域加热等方法在多节点系统中难以独立扩展的局限，为多节点之间的量子链路构建提供了可扩展的硬件实现路径。
关键突破点：
（1）实现片上确定性Purcell增强单光子源
借助局域应变调控，研究团队实现了量子点发射频率与微环谐振腔模式的精确共振匹配，获得了显著的腔增强单光子发射效应。实验实现单光子发射强度提升约10倍；Purcell因子达到3.52；β因子达到77.8%；单光子纯度达到98.8%。该结果表明，该平台能够实现高纯度、高效率的片上确定性单光子发射，为高性能量子光源构建提供了重要支撑。
（2）实现可扩展集成的腔量子电动力学系统
基于独立应变调控与电光调控相结合的双自由度调谐机制，研究团队进一步实现了可扩展集成的片上cQED器件。器件可在 0.30 nm（0.45 meV） 范围内实现连续波长可调；该调谐范围达到量子点变换极限线宽的 230倍；在整个调谐区间内，Purcell因子始终大于1.89。这项工作首次展示了同时具备量子发射体调控能力和腔模调控能力的片上全固态cQED平台，为多节点可扩展腔量子电动力学系统的实现提供了关键基础。
（3）建立面向量子网络的平面化腔QED架构
不同于传统垂直腔结构，本工作采用平面微环谐振腔与低损耗波导相结合的器件架构，兼具以下优势：实现强平面光场约束与高效光-物质耦合；支持片上光子的低损耗路由与分发；与线性光学网络和集成量子光子线路直接兼容。该平面化腔QED架构为未来构建分布式量子节点、大规模片上量子网络和复杂量子光子系统提供了核心硬件基础。
图文解读：
图1 混合集成腔量子电动力学平台 （a）HPC-cQED器件结构示意图。（b）HPC-cQED器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）混合GaAs/LN微环谐振腔中的回音壁模式（WGM）数值模拟结果。锥形模式转换器实现了准TE基模在平面波导中的约束与高效传输。（d）TFLN跑道型微环谐振腔的透射光谱。利用超连续谱光源测量得到微环谐振模式及其品质因子。（e）混合GaAs/TFLN微环谐振腔的光致发光（PL）光谱。
图2 基于压电效应的局域应变调控 （a）压电驱动下混合GaAs/LN波导结构位移分布的有限元仿真结果。（b）混合GaAs/LN波导中心区域主应变张量分量的空间分布。（c）低温显微光致发光（μ-PL）测试中，从量子点激发位置直接收集得到的发射光谱。（d）从光栅耦合器端口收集得到的低温μ-PL光谱。橙色标记对应微环腔回音壁模式（WGMs），验证了量子点发射在面内光子回路中的有效传输与耦合。（e）量子点发射随外加电压变化的二维光谱图，展示出稳定的局域应变调控能力。（f）去除底部SiO₂支撑层后的悬空GaAs/LN波导发光光谱图。
图3 Purcell增强单光子发射 （a）通过片上局域应变调控实现量子点发射与混合GaAs/LN微环谐振腔模式共振匹配。（b）应变调谐过程中量子点发射光谱。（c）不同失谐条件下量子点发射的时间分辨光致发光衰减曲线。（d）量子点寿命随发射频率与腔模失谐量变化关系。（e）Purcell增强后量子点单光子发射的二阶关联函数 测量结果。零时延处明显反聚束特征表明器件实现了高纯度单光子发射。
图4 双自由度调控实现可扩展腔量子电动力学平台 （a）引入电光调控电极后的新型HPC-cQED结构示意图。额外电极布置于Euler弯曲区域，用于实现腔模频率调控。（b）可扩展HPC-cQED器件的光学显微镜图像。（c）LN弯曲波导横截面结构及静电场分布仿真结果。（d）腔模共振波长随电光调控电压VEO变化关系。插图展示对应的透射谱共振峰。（e）量子点发射波长随应变调控电压VS变化关系。（f）通过应变调控与电光调控协同作用，实现宽范围内的量子点-腔模共振匹配。（g）不同量子点-腔模共振波长下的时间分辨寿命测量结果。实验表明在整个调谐范围内均保持稳定的Purcell增强效应。
未来展望：
本工作将自组装量子点这一高质量固态量子发射体与薄膜铌酸锂这一先进光子材料深度融合，构建了兼具低损耗传输、片上局域应变调控和高速电光调控能力的新型混合集成量子光子平台，为全固态、可扩展腔量子电动力学的发展提供了新的技术路线。
未来，通过进一步提升微环谐振腔品质因子、优化量子点空间定位精度，并结合共振激发技术，有望实现接近理想变换极限线宽的确定性单光子源。同时，依托铌酸锂材料成熟的高速电光调制能力，该平台还可进一步拓展至片上量子态路由、量子纠缠分发、量子干涉网络构建等关键应用场景，为实现大规模量子光子芯片、分布式量子节点互联和量子网络提供核心硬件支撑。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所王旭东博士与朱一帆博士后为本论文的共同第一作者，张加祥研究员、欧欣研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFA1404604）、中国科学院青年团队稳定支持（YSBR-112）和国家自然科学基金等项目的支持。
