王雪华、刘进教授团队在单波长尺度的结构光与物质相互作用方面取得重要进展

      中山大学物理学院、光电材料与技术全国重点实验室王雪华、刘进教授研究团队在半导体腔量子电动力学体系中实现了单光子层面的结构光与物质相互作用，在单波长尺度的微柱腔器件中，产生了自旋-轨道锁定的手性轨道角动量单光子，并实现了可控的单光子自旋—轨道纠缠，为探索手性量子光学、发展高维光量子信息技术开辟了新的途径。相关研究成果以“Structured light–matter interaction in semiconductor cavity quantum electrodynamics”为题于2026年9月8日发表在国际著名期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。中山大学为该成果的第一署名单位，中山大学物理学院副教授刘顺发、博士毕业生马剑涛与中国科学院半导体研究所博士后刘汗青为论文共同第一作者，王雪华教授和刘进教授为论文共同通讯作者。

      单光子与单个量子辐射子的相互作用是量子光学和光量子信息技术的重要基础。传统腔量子电动力学研究主要采用偏振在空间上均匀分布的光学模式，与传统偏振均匀的光场不同，结构光场具有可设计的空间偏振、振幅和相位分布，为利用光子的多个自由度开展量子信息处理提供了新的可能。然而，已有轨道角动量单光子源通常需要借助额外的复杂相位调控结构，如何通过光与辐射子的直接耦合，在紧凑的半导体器件中实现具有结构光场特征的腔增强单光子辐射及多自由度调控，仍是这一领域的重要挑战。

      针对这一问题，该团队利用高品质半导体微柱腔中的光学自旋—轨道耦合效应，构建了四种具有不同偏振和相位分布的结构光场模式。依托自主发展的超分辨快照式高光谱成像定位技术，将单个量子点确定性地置于偏离微柱中心的特定位置，实现量子点与腔内结构光场的空间匹配；进一步通过外加磁场调谐量子点发光波长，使其中确定自旋取向的跃迁谱线与不同腔模共振，从而实现对单光子辐射的模式选择和多自由度调控。实验表明，当量子点耦合至手性腔模时，辐射单光子的自旋与轨道角动量相互锁定，反转磁场即可改变轨道角动量的旋向，轨道角动量模式纯度最高达到90.2%；当量子点耦合至另外两种结构光场模式时，可直接在单光子的偏振与轨道角动量两个自由度之间产生纠缠，并通过切换共振腔模制备两种不同的贝尔态，纠缠保真度最高达到95.2%。同时，实验观测到约4倍的自发辐射速率增强及高纯度单光子辐射。该研究无需额外引入用于产生结构光场的相位调控元件，即可在单个微腔器件中直接产生手性单光子与可调控的自旋—轨道纠缠，为构建紧凑型多自由度量子光源提供了新的物理机制与器件平台。

图1. 半导体微柱腔中的结构光与物质相互作用及单光子自旋—轨道调控示意图。

       中国科学院半导体研究所牛智川、倪海桥研究员等在量子点材料生长方面提供了重要支持，胡小龙、孟赟和邹凯为该工作提供了用于寿命测量的超导单光子探测器。中山大学物理学院博士生王杨鹏、博士毕业生李学诗参与了相关实验工作。该研究得到了国家自然科学基金、量子科技国家科技重大专项、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、广东省量子科学战略专项、中国博士后科学基金、中山大学青年科学家培育项目、国家超算广州中心等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02275-1