近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)超快光譜學團隊聯合清華大學，在微腔激子極化激元體系的量子傳播機制研究中取得重要進展。研究揭示了激子極化激元凝聚體中存在一種獨特的、無法通過傳統輸運理論直接解釋的量子傳播行為。這一成果不僅拓展了對粒子量子行為的理解，也為未來基于激子極化激元的高速、長程有源光子器件設計提供了支撐。相關成果于2025年3月24日以“Anomalous quantum transport of microcavity exciton polaritons”為題發表在《Science Bulletin》。
 

　　增強量子器件設計和推進信息處理強調了對量子粒子傳播的微觀理解的迫切需要。然而，與經典擴散不同，量子傳播表現出更復雜的特征，如量子干涉效應、非線性相互作用和無序散射等多種物理機制之間的競爭。傳統的量子輸運理論主要圍繞固態電子系統構建，其探索了電阻率或電導率等宏觀輸運參數。而隨著量子技術的進步，如玻色-愛因斯坦凝聚體、超導量子系統或束縛離子，提供了更直接的粒子時空分布。這些新穎的量子系統提供了超越傳統輸運理論和探索新型量子傳播現象的機會。
 

　　作為一種由光子與激子強耦合形成的準粒子，激子極化激元兼具光子的極低有效質量和激子的強非線性相互作用的特征，展現出諸如高度非厄米特性、長程量子相干性等獨特性質。但目前尚缺乏對該類體系的系統研究，基于此研究團隊深入探索了其量子傳播特性。通過對其動力學行為的深入分析，研究人員發現，激子極化激元的傳播機制與遵循薛定諤方程(Schr?dinger)或格羅斯-皮塔耶夫斯基方程(Gross-Pitaevskii)的粒子存在本質差異，具體而言，激子極化激元的擴散指數呈現出時間依賴性，表現了異常的空間擴展行為和局域化趨勢。
 

圖一 微腔激子極化激元的量子傳播動力學。
 

　　通過應用標度理論和自洽理論，研究團隊進一步揭示了激子極化激元在長時間傳播中出現的反常局域相的本質，打破了Anderson局域化的單參數標度理論。通過對質心運動的分析，研究團隊還首次提供了激子極化激元局域相區別于Anderson局域化的直接證據：在典型的Anderson局域體系中，質心在長時間下會返回到原點，呈現“量子回旋鏢效應”；而在激子極化激元體系中，質心則趨于一個有限值，表明其局域機制具有根本不同的物理起源。
 

圖二 標度理論和質心坐標。
 

　　該成果第一作者為量子院博士后田玲鈺，共同通訊作者為量子院/清華大學物理系兼聘教授熊啟華，量子院副研究員Sanjib Ghosh。合作者還包括清華大學博士生彭雨田、量子院助理研究員許華文。該工作得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的支持。