固態單量子體系的調控與應用專題編者按

近年來,隨著量子信息科學與技術的進一步發展,人們對量子信息處理中最基本的信息單元—單量子體系—的操控與探測提出了更高的要求,例如更高保真度的調控、更長的退相干時間以及更高精度的探測等.雖然不同體系中單量子態的操控已經取得了很好的進展,但是離實際應用還有差距,因此研究不同固態體系中單量子態的操控以及探索其在可擴展化量子信息處理中的應用仍然是目前該領域的重要研究方向.單量子體系的操控及其與微腔的相互作用為可擴展化的量子調控提供了有效手段,這對實現未來大規模量子器件及量子信息處理具有重要的意義.固態單量子體系主要包括單超導比特、單量子點、單缺陷、摻雜單原子以及單分子等體系.每種體系都有不同的優缺點,例如基于半導體量子點的單量子體系易于利用微腔耦合進行調控,可以用超快光學的方法操控,但是可擴展性差;金剛石色心是常溫下比較穩定的單量子體系,但是金剛石的摻雜和加工都非常困難;單分子量子體系利用掃描隧道顯微鏡可以得到高分辨率成像,但是其調控和與其他物質相互作用比較困難等.

為進一步促進國內同行的交流,在《物理學報》編輯部的組織下,我們邀請了部分活躍在“固態單量子體系的調控與應用研究”領域的中青年專家學者,組織了本期的專題.本期專題文章大致分為如下幾方面:在半導體量子點方面,竇秀明和孫寶權報道了金納米顆粒調控量子點激子自發輻射速率;魏紅介紹了單個金屬納米顆粒和納米間隙結構與量子發光體的強耦合的動態調控,并展望了該領域的研究前景;林星和方偉介紹了基于開放式法布里-珀羅微腔的腔量子電動力學系統的基本特性、制備方法,以及與固態單量子系統相互作用的研究工作;張國峰和肖連團綜述了單量子點光譜與激子動力學近期的相關研究進展和單量子點光譜未來可能的發展趨勢;許秀來報道了具有反常抗磁行為的量子點熒光的手性傳輸,為可擴展化手性量子器件奠定了基礎.在金剛石氮-空位(NV)色心體系方面,孔熙和石發展利用單個NV 色心成功探測到金剛石表面納米尺度水分子分別在固態和液態條件下的核磁信號和固-液相變;孫方穩介紹了金剛石NV 色心的溫度特性、測溫原理及其在相關領域的應用;許金時和李傳鋒理論計算和分析了耦合碳化硅薄膜的光纖腔的性質和特征以及光纖腔耦合色心的增強效果;榮星綜述了金剛石NV 色心體系在量子物理領域取得的重要進展;劉剛欽介紹了低溫、高溫、零場、強磁場以及高壓強等極端條件下金剛石NV 中心的光學性質和自旋量子傳感的進展.在單分子量子器件與單分子光譜成像方面,劉俊揚和洪文晶介紹了量子干涉效應的相關理論與預測、實驗觀測與證實,以及其在不同單分子器件上的調控作用;張楊和董振超報道了單個苝四甲酸二酐分子的電致發光特性以及相應的電子-振動躍遷的實空間熒光成像;趙愛迪綜述了基于掃描隧道顯微學技術的表面吸附單分子及其相關結構中的量子態研究現狀.在其他單量子體系或者潛在的單子體系方面,陳宇輝和張向東介紹了摻鉺晶體在量子調控方面的應用進展;孫力玲、宋友和宋鳳麒報道了石墨烯中選擇性增強Kane-Mele 型自旋-軌道相互作用;彭其明和王建浦介紹了有機半導體和鹵化物鈣鈦礦在磁場下的電致發光和光致發光變化,即發光材料的磁場效應;丁帥帥和胡文平綜述了有機自旋閥中自旋界面的研究進展與問題,并對有機自旋界面的識別和可控利用進行了展望.

本專題從不同方面描述了固態單量子體系的調控與應用研究的進展,反映了此領域的一些前沿問題與未來展望,希望對讀者了解此方向有所幫助.通過本專題,希望在未來的固態單量子體系調控與應用方向取長補短,實現優勢互補,促進固態單量子體系領域的蓬勃發展.(客座編輯:許秀來 北京大學;梁文杰 中國科學院物理研究所;孫方穩 中國科學技術大學)