引言 突破性成果概览

量子世界中存在着一种奇妙的集体效应——当多个量子发射体（如原子、量子点）通过光子媒介耦合在一起时，它们的辐射行为会表现出超辐射（superradiance）或亚辐射（subradiance）现象。超辐射态因其增强的集体辐射特性而被广泛研究，而亚辐射态则因其"暗态"特性（几乎不与外界环境耦合）一直以来难以被观测和利用。然而，亚辐射态恰恰因其长寿命和强量子关联特性，被认为是量子信息存储和量子计算的理想载体。

近日，韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）的研究团队在《自然·通讯》上发表了一项突破性成果：他们通过观测到超强光子聚束效应（g2(0)>8）和显著抑制的单光子衰减（寿命长达36纳秒），在实验上证实了腔介导的稳态亚辐射的实现。这项研究为量子技术的实际应用开辟了新途径。

第一章 量子集体效应的两面性：超辐射与亚辐射

图1：(a) 自由空间中两个不相耦合的量子发射体各自独立辐射；(b) 亚波长间距下的耦合发射体形成超辐射态和亚辐射态；(c) 腔耦合系统在特定参数下可稳定占据亚辐射态，产生超强光子聚束。

1. 超辐射：集体辐射增强的"明态"

当多个量子发射体间距小于辐射波长时，它们会发生辐射耦合形成集体态。其中对称的超辐射态表现出增强的集体衰减速率（NΓ，N为发射体数量），就像合唱团成员齐声高歌一样，产生协同放大的辐射。

2. 亚辐射：长寿命的"暗态"

与之相反，亚辐射态由于量子相消干涉，几乎不与环境耦合，辐射速率极低（远小于 Γ）。这种"暗态"特性使其成为天然的退相干自由子空间，在量子信息存储中具有独特优势。然而，亚辐射态的暗态特性也使得传统方法难以对其进行稳态操控和探测。

第二章 实验突破：腔耗散调控的稳态亚辐射

图2：(a) InAs/GaAs薄膜中气悬浮孔圆形布拉格光栅腔与光子关联测量。(d) 量子点与腔模近共振（失谐δ=-13.4 GHz）时，观测到超经典光子聚束g²(0)=3.27±0.07（蓝色区域），以及单光子衰减时间显著延长至29.6±0.23 ns（黄色区域）。

研究团队设计了一种低Q值纳米光子腔（Q≈592，κ=553 GHz），将两个InAs量子点耦合其中。通过精确平衡三个关键参数：腔耗散率κ、发射体-腔耦合强度g、非相干泵浦速率P，系统在弱泵浦条件下（P远小于g,κ）实现了亚辐射态的稳态占据（图2d）。实验观测到两个关键特征：

a. 超强光子聚束（g²(0)>8）

通过优化激发波长（从790 nm above-band泵浦改为870.7 nm below-band泵浦），团队成功抑制了量子点的退相位效应，将光子聚束值提升至8.36±0.34（图3b）。这一非经典特征（远超经典极限g²(0)=2）源于亚辐射对单光子衰减通道的抑制，迫使系统通过双光子级联过程辐射。

b. 超长单光子寿命（36.1 ns）

在相同条件下，单光子衰减时间达到36.1±2.3 ns，比孤立量子点的辐射寿命（~0.1 ns）延长了约600倍。这种"时间冻结"效应正是亚辐射保护量子信息能力的直接体现。

图3：(a) above-band（带隙上）泵浦；(b) below-band（带隙下）泵浦观测到显著增强的光子聚束效应（g²(0)=8.36）和超长单光子衰减时间（36.1 ns）；(c) 准共振激发时系统退化为单量子点行为，表现出强反聚束（g²(0)=0.30）。

第三章 理论揭秘：负协同参数与参数平衡

研究团队通过量子光学模型揭示了稳态亚辐射的形成机制。他们发现系统表现出负协同参数——这意味着量子发射体之间产生了特殊的反相关行为，这正是亚辐射态的特征。

关键突破在于找到了完美的参数平衡点：

黄金比例：当腔耗散率κ约为耦合强度g的3倍时（κ≈3g），系统最易形成亚辐射态；

泵浦强度：必须在弱泵浦区（P<0.1g），过强泵浦会破坏量子关联；

发射体数量：双量子点系统（N=2）表现出最强的光子聚束效应。

图4：(d) 亚辐射态占据率 ρ_ 随 κ 和P的变化；(h) 不同量子发射体数量下，g²(0) 随 κ/g比值的变化关系。亚辐射态布居数在 κ/g≈3时达到峰值，且两个发射体系统（N=2）表现出最强光子聚束效应。

特别值得注意的是，耗散（κ）在此扮演了建设性角色——通过精心设计的腔耗散（κ≈3g），系统能在非相干泵浦下自发形成并维持亚辐射态，这颠覆了传统认为耗散必然破坏量子效应的观点。

终章 应用前景：量子技术的突破性平台

这项研究开辟了三大应用方向：

量子存储：亚辐射态的超长寿命，为量子信息存储提供了新方案；

精密测量：突破经典极限的光子聚束效应，可提升光学传感的灵敏度；

量子光源：可控的双光子辐射特性，为量子通信提供新型纠缠光源。

研究团队指出，这套基于低Q值光学腔的系统具有模块化优势，可适配原子、金刚石色心等多种量子体系。相比传统方法，该方案无需复杂的相干控制，仅需常规激光泵浦即可实现稳态操作，大大降低了技术门槛。

原文链接：DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61629-w

撰稿｜谢    璇

指导｜刘玉龙、魏小刚