新加坡科技设计大学（吴琳教授）、新加坡国立大学（仇成伟教授）与华南农业大学（刘景锋教授）的团队近日联合发表了关于单光子源产生与调制的重要综述，论文的共同第一作者为新加坡科技与设计大学的博士研究生刘光昕、周文捷以及Dmitrii Gromyko。
本文系统过去十年单光子产生—操控的关键进展：对非线性晶体、固态缺陷、量子点、碳纳米管与二维材料等发射体系进行定量分类，并以“亮度（Brightness）–纯度（Purity）–不可区分度（Indistinguishability）” 3D Map 呈现不同平台的优势与权衡；重点强调将发射体与可设计纳米结构（微腔/波导、等离激元与介质纳米天线、超表面等）耦合以显著提升发射性能，并展示通过纳米结构工程对单光子出射方向、偏振、手性、涡旋轨道角动量（OAM）与纠缠等自由度的片上可编程操控。相关工作以" Single-photon generation and manipulation in quantum nanophotonics"为题发表在《Applied Physics Reviews》期刊上。
图1 论文首页
单光子技术正逐步走向应用前沿，已在量子通信、量子计算与量子传感等领域展现出重要价值。作为这些应用的“最小单元”，当前单光子源版图由两条路线并进：一是基于 χ(2)/χ(3) 介质的 SPDC/SFWM 等概率式方案，二是量子点、固态缺陷、二维材料缺陷、碳纳米管与钙钛矿等固态量子发射体的按需式方案。评价单光子源优劣的“共同语言”是亮度/效率、纯度 g²(0) 与不可区分度（HOM）三要素，它们既决定器件物理上限，也直接影响系统工程与互联成本。纳米结构通过“LDOS 调控 + 模式整形”实现 Purcell 增强与定向耦合，在不牺牲相干性的前提下同时提升亮度与收集效率，并为方向、偏振/手性、OAM 与纠缠等多自由度的片上可编程操控提供基础。低温赛道中，量子点凭借综合性能优势保持领先；室温赛道则呈现“分项冠军”的格局，需要材料、腔/天线与系统级协同设计补齐短板。代表性节点包括：QD+DBR 兼顾三指标且端到端效率约 71%；二维材料耦合等离激元间隙阵列并配合电控时，亮度/发射率可逼近约 90%；固态缺陷以高纯度见长（典型 >75%），与超表面耦合的亮度约 63%；CNT 在室温展示约 65% 的不可区分度潜力并具电信波段可用性；SPDC 借助超薄晶体与非线性超表面持续提升效率与多维纠缠能力。面向室温、片上与电信兼容的落地，材料（TMDCs、hBN、CNT、钙钛矿）与器件（微腔/天线/超表面）需双向推进，配合模块化设计、转移印刷、低噪声工艺以及 AI 辅助优化，加速从“可演示”走向“可工程、可规模”。
图2 各类单光子源（SPS）的指标3D Map
该综述为单光子源建立了统一而可操作的框架：以“亮度–纯度–不可区分度”三指标串联两类物理机制，辅以低温/室温分区的3D Map， 如图2所示。在方法学上，明确了 HBT（纯度，g²(0)）与 HOM（不可区分度）的量化与实验路线，并在室温条件下引入跃迁寿命T₁作为不可区分度相关的替代表征指标；在器件设计上，总结了从 LDOS 调控到模式定向与耦合工程（腔/波导、介质/金属天线、超表面）的通用策略，提出“DBR 精纯 + bullseye 易制/易耦合”的混合腔–天线架构以兼顾纯度与规模化制造；在材料–器件–系统层面，面向室温、电信与片上互联，给出 TMDCs、hBN、CNT、钙钛矿等材料路线与纳米结构路线的对照式建议，并梳理光谱匹配、稳定度、工艺一致性和收集链路损耗等工程清单。面向未来，综述指出规模化复用、噪声抑制、片上纠缠资源的高效产生与分发，以及 AI 驱动的反演/联合优化设计是推动单光子源走向“大规模、低成本、可互联”的关键突破口。
该文献系统的总结了过去十年单光子产生—操控的关键进展。建立了统一的框架：以“亮度–纯度–不可区分度”三个指标串联两类物理机制，汇总了低温/室温分区的3D Map，直观呈现不同材料–结构组合的优势与权衡，并为横向选型与纵向优化提供重要的指导和方向。
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0227350
