近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室、纳光电子前沿科学中心许秀来教授与龚旗煌院士团队，联合中国科学院物理研究所光物理重点实验室钱琛江特聘研究员、金奎娟院士、中国科学院半导体研究所半导体物理与芯片技术全国重点实验室彭凯研究员，在《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）发表了题为“Recent progress and applications of III–V quantum dots in quantum technologies”的邀请综述文章。该文章系统梳理了外延半导体量子点从材料生长到器件应用的发展脉络，详细阐述了量子点的生长技术、激子特性与多场调控方法，并深入探讨了基于量子点的量子比特、量子点-光学微腔相互作用的腔量子电动力学、以及片上集成技术的相关进展。文章不仅为初学者了解量子点体系提供了清晰的指引，也为相关领域研究人员把握量子点在光量子信息处理领域的国际前沿动态提供了重要参考。
外延生长的III-V族量子点作为典型的零维半导体结构，具有类似“人工原子”的能级结构，能够将电子和空穴束缚于离散能级中，从而形成丰富的激子复合态。同时，该体系还具备与半导体芯片工艺相兼容的集成优势。基于III-V族量子点，单激子的辐射复合可产生高度相干的单光子，构成确定性单光子源。通过共振荧光等先进激子调控手段，结合高品质光学微腔的协同作用，可有效优化单光子的纯度、亮度及不可区分性，并抑制固态环境中噪声引起的退相干效应，推动该体系走向实际应用。此外，量子点中载流子自旋态与飞行光子偏振态之间能够实现确定性映射，构建出自旋-光子高效接口。这使得III-V族量子点成为连接固态量子节点与可扩展量子光学网络的重要载体。
量子点器件性能的提升及其在实际应用中的拓展，关键在于对其量子态的精准调控。围绕这一核心问题，该综述系统总结了光场、电场、磁场、应变场等多物理场对量子点激子态的调控机制：一方面，基于共振荧光等光学方法，可实现对激子跃迁的相干驱动与精细操控，从而获得高度不可区分的单光子；另一方面，通过电场、磁场和应变工程等外场调谐手段，能够有效调节量子点的发射能量、精细结构分裂以及自旋相关性质，并实现噪声抑制，为量子态匹配、偏振纠缠光子对的产生以及自旋量子比特的操控提供了重要支撑。多种调控手段的协同发展，不仅深化了人们对量子点激子物理的理解，也为量子点在量子光源、量子接口及量子网络等领域的实用化应用奠定了关键基础。
图1 用于研究基于量子点-腔量子电动力学的相关光学微腔
文章强调，光学微腔是实现量子点实际应用的关键接口。图1展示了嵌入量子点的典型光学微腔结构。将量子点与分布式布拉格反射镜微柱腔、二维光子晶体微腔等纳米光子结构耦合，能够显著增强光与物质的相互作用，实现Purcell增强发射，提高光子提取效率，并为强耦合区域的量子态调控提供平台。这些耦合机制一方面为实现高保真量子光源提供了重要支撑，另一方面也为构建基于激子-光子界面的量子信息节点及片上量子逻辑功能奠定了关键基础。其中，微腔的品质因子和模式体积直接决定了腔与量子点之间的耦合强度，是实现强光-物质相互作用和提升器件性能的核心因素。
除了量子点本身的发光与调控外，波导结构在量子信息传输与互连中发挥着关键作用。纳米光子波导能够对量子点发出的单光子进行片上传输、路由与分发，是构建可扩展集成量子光路和量子网络的基础单元。近年来，围绕纳米梁波导、光子晶体W1波导、滑移对称波导以及拓扑谷波导等体系（如图2所示），研究者们发展了手性传输、拓扑鲁棒传播和慢光增强等重要机制，实现了量子点发射光子的自旋-动量锁定传播、低损耗传输与增强导光等功能。波导作为连接量子光源、微腔、分束器与探测器的核心骨架，其性能直接决定了片上量子器件的集成效率与系统可扩展性，是未来实现大规模量子光子芯片的关键环节。
图2 具有手性与慢光特性的量子点耦合光波导
从更宏观的技术路线来看，文章系统梳理了量子点领域的发展脉络：前端依赖高质量外延生长，确保量子点具备合适的发射波段、窄线宽、低精细结构分裂和良好的均匀性；中端通过多物理场对激子进行调控，实现对单量子态发射过程的精密操控；后端则借助光学微腔与波导等片上纳米光子结构，完成对光子的增强与路由。这条“生长—调控—集成”的技术链条，构成了量子点走向大规模量子网络的完整技术框架，其总结与展望如图3所示。文章在最后展望，过去二十年来，III–V族量子点在外延生长、激子调控方法以及纳米光子器件加工等方面均取得显著突破，有力推动了高性能光量子器件的发展。然而，要真正实现实用化量子网络，仍需在若干关键问题上持续攻关，包括通信波段高质量量子点的生长、腔-量子点耦合强度的精确控制，以及量子点在光子回路中的确定性集成等。未来，量子点相关量子技术的发展将不再局限于单一器件的演示，而是朝着片上一体化与可扩展的光量子系统方向不断迈进。
图3 Ⅲ-Ⅴ族量子点在量子技术领域的总结与展望
该综述文章的第一作者为北京大学物理学院2023级博士研究生马郅恺和北京量子信息科学研究院高级工程师武诗瑶，通讯作者为彭凯研究员、钱琛江特聘研究员和许秀来教授。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
