近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室、纳光电子前沿科学中心刘运全教授课题组在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）发表（量子科技年，Quantum2025专题）邀请综述文章 “Local and Nonlocal Pathways to Quantum Light with Quantum Photonic Materials”，文章系统梳理了量子光子材料中量子光学现象的物理起源与调控策略，提出了材料-模式协同设计的统一视角，为量子光源的材料选择与器件设计提供了重要指导，对量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的可扩展量子光子技术有重要参考意义。

材料科学的进步持续推动光量子技术发展，量子光的产生与调控是量子光子学的核心研究方向，是实现可扩展量子技术的关键。该综述以量子光产生的局域效应和非局域集体相干过程为两大主线，结合课题组及国际最新研究成果，全面探讨了材料在量子光产生中的作用机制，以及纳米光子结构对量子光与物质相互作用的调控规律，为新型量子光源的开发提供了系统性的理论和实验参考。

文章将量子光子材料中支配光子量子特性的机制分为两类：一类是由本征量子限制产生的局域效应，典型代表包括：量子点、过渡金属二硫族化合物（TMDs）中的局域激子以及六方氮化硼（hBN）中的深能级缺陷，这类机制是确定性单光子发射的核心基础；另一类是非局域集体相干过程，以低维材料中的非线性响应为代表，自发参量下转换（SPDC）是其典型应用，为纠缠光子对的产生提供了重要途径（见图1）。

图1 量子光学材料和光学微纳结构产生和调控量子光

量子光与光子材料的相互作用效率，依赖于纳米光子环境对光学态密度、辐射通道和模式匹配的调控。基于腔量子电动力学（cQED），等离子体纳米腔、超表面等纳米光子结构，可通过珀塞尔（Purcell）效应增强光辐射发射率、调控光子发射模式，大幅提升量子光的亮度、纯度和可集成性，成为连接量子材料与实际应用的重要桥梁。

量子光子材料通过局域和非局域两种互补路径实现非经典光的产生。局域路径主要包括孤立量子发射体的离散能级跃迁。孤立量子光发射体在主体材料中实现类原子离散能级，基于量子化的能级跃迁，受激的理想量子发射体可产生具有亚泊松统计特性的单光子，成为确定性单光子源。要实现这类体系的应用，需协同优化量子发射体的亮度、纯度和不可区分性，同时克服环境扰动带来的退相干问题。非局域路径包括非线性介质中的集体相干过程等。

非局域路径的量子光产生源于与扩展宏观极化或传播光学模式相关的集体相干过程，其中X^（2）非线性介质中的自发参量下转换（SPDC）是核心机制，也是产生纠缠光子对的主流方法，为量子通信提供了高保真的量子资源。这两种路径也为量子光源设计中纳米光子结构的选择和分类提供了指导，是本综述文章的核心研究框架。

该综述文章以局域和非局域现象的区分为核心，构建了量子光子材料和纳米光子工程光学模式的统一研究框架，系统总结了低维量子材料、半导体非线性平台等前沿体系的量子光产生机制、制备方法和调控策略，阐明了纳米光子结构与量子材料的匹配原则，并指出局域机制天然适用于按需单光子发射和自旋-光子接口，是量子网络节点的核心；非局域相干机制则更适合高亮度纠缠光子产生和频率转换，是量子通信和线性光学计算的关键。未来，量子光子技术的发展将依赖于材料-模式协同设计的深入实践，从孤立的材料和结构优化转向二者的一体化设计。同时，晶圆级的确定性制备、量子光源的主动稳频、低损耗的片上集成，以及机器学习驱动的逆向设计，将成为可扩展量子光子技术发展的关键方向。

该综述文章的第一作者为北京大学物理学院2024级博士研究生文武和2021级博士研究生李靖，通讯作者为刘运全教授。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

论文原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202524326