光子是量子信息的理想载体，但缺乏确定性光子-光子相互作用限制了它们在量子计算和量子网络中的应用。单光子开关和晶体管能产生强的光子-光子相互作用，这对于量子电路和网络是必不可少的。然而，利用单个光子对光信号的确定性控制需要与量子存储器保持强相互作用，这在固态平台中是难以实现的。

图1 单光子开关和晶体管的原理图（A）Voigt配置中带电量子点能级结构 （B）制造的光子晶体腔的扫描电子显微镜图像 （C）单光子开关和晶体管的工作原理示意图（D）实现单光子开关和晶体管的脉冲时序图

利用中性俘获原子的强光-物质相互作用的最新技术研究已经使光学非线性工作在基本的单光子系统中。然而，中性原子需要大而复杂的激光陷阱，并且在兆赫量级的低带宽下工作，这使得集成紧凑器件变得具有挑战性。在光学频率上实现紧凑的固态单光子非线性仍然是可扩展集成量子光子电路的关键缺失部分。近日，马里兰大学的Shuo Sun等研究学者在《Science》上演示了由固态量子存储器实现的单光子开关和晶体管。它包含一个与纳米光子腔强耦合的半导体自旋量子位。自旋量子位使得单个63皮秒的门光子能够在器件内部状态复位之前转换一个平均包含27.7个光子的信号场。作者的研究结果表明，半导体纳米光子器件可以产生受控的强光子-光子相互作用，从而实现高带宽光子量子信息处理。

图2 （A）透射率与平均信号光子数的函数关系 （B）晶体管增益与平均信号光子数的函数关系

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