澳大利亚国立大学：南半球的光量子先锋！
澳大利亚国立大学：南半球的光量子先锋！
澳大利亚国立大学（ANU）在光学与量子技术领域的研究处于全球前沿，从非线性光学到量子计算再到超材料，该校的多个研究单位为推动这些领域的突破性进展作出了重要贡献。
澳大利亚国立大学Kioloa Coastal 校区鸟瞰图
非线性物理中心（Nonlinear Physics Centre）
非线性物理中心隶属于物理与工程研究院，该中心致力于探索非线性物理现象及其在多种科学和工程领域的应用。该中心创立者Yuri Kivshar教授是澳大利亚科学院院士，同时也是副主编。该中心Kirill L. Koshelev是光子学领域成就卓越的青年科学家，荣膺中国激光杂志社首届AP。中心的研究涵盖了诸如非线性光学效应、超快激光、光纤通信、凝聚态物理中的相变、混沌系统以及在量子信息和量子计算中的非线性效应等领域。该中心与全球多家顶尖研究机构保持密切合作，并且在推动非线性物理学的实际应用，如新型光学器件、量子技术和复杂系统模拟方面，取得了显著进展。中心的研究团队通过调节金属纳米阵列结构，实现了从局域表面等离子体共振到非局域表面等离子体激元的转变，大幅提高了金属微纳腔体的品质因子[1]。中心与哈尔滨工业大学（深圳）合作，通过开发纳米级元四元器件，成功实现了高效率、高纯度的光涡旋生成[2]。
ARC极端光子学卓越中心（TMOS）
ARC极端光子学卓越中心由澳大利亚政府通过澳大利亚研究理事会资助，并与澳大利亚国立大学、墨尔本大学、悉尼科技大学、西澳大利亚大学和皇家墨尔本理工大学合作。澳大利亚国立大学作为主要参与单位的TMOS中心，专注超表面与纳米光子学，旨在颠覆传统光学器件设计。TMOS还将开发下一代微型光学系统，通过超光学的创新，突破纳米级光产生、探测与纵向检测的挑战，推动未来技术，如实时全息显示、人工视觉、可穿戴医疗设备和超快速Wi-Fi的发展。
量子科学与技术系
量子科学与技术系专注于量子力学基础科学的实验和理论研究，致力于将这些基础研究成果转化为设备、应用和商业化产品。当前，系内的研究重点包括光子、冷却原子、NV中心、准粒子以及固态稀土系统的量子力学，重点探讨量子测量、挤压、纠缠和量子控制等多体现象，并推动量子通信、计算和传感等领域的应用。系内设有多个研究小组，包括量子光学组（研究量子信息、原子-光相互作用等）、激光物理与光子学组（研究激光物理、光学及光子学及应用）、固体光谱组（研究晶体中的光学活性中心及结合基础光谱学、量子光学等跨学科领域）、原子激光组（原子激光光刻、原子干涉测量等）等多个光学研究组。近日，澳大利亚国立大学还与富士通签署谅解备忘录，合作建立量子研究中心并计划建设现场量子计算机，以推动量子计算研究、教学和人才培养[3]。
电子材料工程系
电子材料工程系致力于开展世界一流的多学科研究与教育，涵盖光学物理、固态物理、材料科学及光电器件工程等领域。研究设施包括国家器件制造设施，重点研究光子、量子材料的物理与工程、纳米尺度光-物质相互作用、集成超光学和纳米级器件等。该系下设多个光学类研究小组：半导体光电子与纳米技术组，研究半导体纳米结构的合成，重点应用于光电器件如激光器、LED、太阳能电池等，旨在打造紧凑、高效的下一代器件。实验光子学组，专注于纳米光子结构中的光-物质相互作用，开发新型介电超表面及其应用。非线性和量子光子学组，进行经典光与量子光的理论与实验研究，涉及合成与非线性光子结构，涵盖从集成电路到光学纳米结构的应用。这些研究小组协同推动电子材料和光子器件技术的前沿进展。
斯特罗姆洛山天文台（Mount Stromlo Observatory）
斯特罗姆洛山天文台是南半球光学天文研究的核心，聚焦星系演化、系外行星探测及先进望远镜技术。
斯特罗姆洛山天文台是南半球光学天文研究的核心，聚焦星系演化、系外行星探测及先进望远镜技术。天文台配备了多个大型望远镜，能够进行高分辨率的天文观测，尤其在恒星、星系、星际介质、太阳系天体等方面的研究取得了显著成果。其最重要的光学设备之一是ANU 2.3米望远镜，广泛用于研究近地天体、恒星的形成以及深空观测。该天文台支持多种光学与红外波段的观测，致力于探索宇宙的结构、演化及其物理机制；还在行星科学领域开展了大量研究，尤其是与太阳系天体（如小行星、彗星等）相关的观测任务。此外，天文台的团队还参与国际空间任务，提供观测支持与数据分析。
5篇优秀研究成果登载Advanced Photonics
自2019年起，澳大利亚国立大学的科研团队在该AP上以第一作者或合作作者的身份发表了5篇论文，涉及非线性手性超材料光子学、纠缠光子源、红外成像、介质纳米腔高Q因子模式设计、法诺共振超表面设计及深度学习优化等领域。
非线性手性超光学综述
澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授等人全面概述了非线性手性超材料光子学领域的进展。解读了如何通过共振超表面和纳米天线来提高非线性手光学响应效率，如何通过介电超表面的集体共振实现非线性手性效应的最大化，并详细讨论了微观和宏观对称性、几何相位以及各种共振效应的作用。最后，展望了这一迅猛发展研究领域中新的可能性。该综述论文发表在Advanced Photonics 2023年第6期。
非线性超表面中非简并光子对的增强生成
澳大利亚国立大学、米兰理工大学和圣彼得堡 ITMO 大学的研究人员发现，为提高自发参量下转换过程中所产生纠缠光子的亮度，可对应信号光子和闲频光子设计两个存在微小波长差的连续域束缚态。相比没有纳米结构的非线性材料薄膜，该设计可将纠缠光子的亮度提高5个数量级。研究人员将该结果主要归因于被称为双曲横向相位匹配的新现象，基于该原理可以高效地产生具有宽动量范围的光子。这项工作将推进可集成纳米级纠缠光子源的发展，对于发展可日常应用的小型化量子器件具有重要价值。相关成果发表在Advanced Photonics 2021年第5期。
非线性超表面的红外上转换成像
澳大利亚国立大学、英国诺丁汉特伦特大学的研究人员和合作者成功地通过由小型半导体纳米晶体组成的非线性超表面实现了红外成像。研究人员基于砷化镓设计了一个多共振超表面，以同时增强参与非线性过程的所有频率的光场。该砷化镓超表面被制造出来并转移到透明玻璃上，在玻璃表面形成了一层纳米晶体薄膜。相关成果发表在Advanced Photonics 2021年第3期。
突破单介质纳米腔高 Q 模式的极限
新南威尔士大学、诺丁汉特伦特大学和澳大利亚国立大学的联合研究团队提出了一种普适的方法来找出单个介质纳米腔（比如二维长方形纳米线，三维纳米圆柱和方形柱）的高Q-因子模式。传统计算方法不同，研究团队通过米氏模式（又称漏模）调控，构造漏模特征值交叉或避免交叉，从而实现高Q模式。该方法为设计高Q模式提供了指导，并在激光、非线性生成和强耦合等领域有潜在应用。相关成果发表在Advanced Photonics 2021年第1期。
通过机器学习方法增强介电纳米结构中的光-物质相互作用
圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学、约费研究院和澳大利亚国立大学的研究团队针对高折射率共振介电纳米结构展开了深入研究，探索了单个亚波长高指数介质谐振器中强模式耦合及其在法诺共振和模式转换中的表现。通过分析弗里德里希-温特根破坏性干扰导致辐射损耗抑制的情形，团队成功证明了强耦合机制能产生高质量因子的共振，并揭示了与散射截面谱中法诺参数特殊性之间的内在联系。相关成果发表在Advanced Photonics 2019年第1期。
在理论创新与技术突破的引领下，澳大利亚国立大学凭借其卓越的科研实力和多元化的国际合作网络，一直处于光学与光子学研究的前沿。该校在基础研究与跨学科合作方面拥有深厚的积淀，并且积极推动新兴技术的应用与发展。未来，随着全球科研力量的不断汇聚，AP将继续为世界各地的学者提供互动与合作的机会，助力更多创新成果的转化与应用。
参考资料：
[1] Liang, Y., Tsai, D. P., & Kivshar, Y. (2024). From Local to Nonlocal High-Q Plasmonic Metasurfaces. Physical Review Letters, 133, 053801.
[2] Chen, Q., Qu, G., Yin, J., Wang, Y., Ji, Z., Yang, W., et al. (2024). Highly efficient vortex generation at the nanoscale. Nature Nanotechnology, 19(7), 1000–1006.
[3] MOU with Fujitsu signals ambitions for a quantum computer onsite at ANU