今年5月8日，海南大学物理与光电工程学院、理论物理研究中心施小锋教授联合山西大学和英国杜伦大学同行，在激光耦合里德堡原子系统中展示了单光子波矢量的全光调控，实现了方向可切换的单光子发射器，相关研究成果以 Direction-switchable single-photon emitter using a Rydberg polariton 为题发表在光学权威期刊《Optica》。山西大学光量子技术与器件全国重点实验室博士生李昌成、教授焦月春和海南大学施小锋教授为论文共同第一作者，山西大学赵建明教授、焦月春教授和海南大学施小锋教授为共同通讯作者，山西大学白景旭老师、研究生沈旭和杨久恒参与了该研究，山西大学贾锁堂教授和英国杜伦大学C. Stuart Adams教授为该工作提供了重要指导。

基于中性超冷原子及其里德堡集体激发的非线性量子光学系统在实现光量子网络上具备确定性等独特优势。但是一个核心问题是里德堡集体激发的寿命受到原子运动的限制。鉴于该核心问题，施小锋曾提出了有效压制这种以运动多普勒效应主导的里德堡集体激发退相干的理论【Phys. Rev. Appl. 24, 044028 (2025)】，并且在实验上得到成功验证 [Phys. Rev. Lett. 134, 053604 (2025)】。但是，该理论在备受学界关注的量子网络上的应用尚未发挥足够作用。通过深入研究前期理论中构建长寿命里德堡集体激发中的波矢量的可操控性，施小锋发现可以通过合理调整前期理论中压制里德堡集体激发的运动退相干的光行进方向，最终通过波矢量的相干操控实现光量子的多方向量子路由。

实现光量子的多方向量子路由对光量子网络的研究具有重要意义。光量子网络是连接、扩展并最终实现分布式量子计算与量子通信的核心，对推动量子信息技术从单体演示走向实用化、网络化具有不可替代的关键作用。然而，构建可扩展的光量子网络迫切需要确定性的单光子路由与非线性光学操控。直到本研究为止，针对该目标的研究仍旧难以实现确定性的非线性单光子路由操控。

如图所示，本研究首先利用电磁感应透明和量子存储技术将光子存储在里德堡集体激发中。在随后的存储过程中，通过单个拉曼脉冲，将存储光子的里德堡激发转换到邻近状态中。在读出过程中，通过合理调整激光的入射方向，即可实现确定方向的光量子输出。理论上，这种方法可实现具备几乎无穷多个输出通道且各方向读出效率完全相同的通用单光子量子路由。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.589677

文稿：施小锋

初审：刘  京

复审：陈文钦

终审：黄文强