【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)光量子通信與器件團隊和中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院、中國科學院半導體所合作，成功實現(xiàn)了具有垂直方向性的拓撲體態(tài)單光子源，該新型單光子源展現(xiàn)出拓撲保護的量子點-腔耦合特性，并且理論上可實現(xiàn)高達92%的光子提取效率。 2025年8月 28 日，該研究成果以“A single-photon source based on topological bulk cavity”為題發(fā)表在國際著名學術期刊《Light: Science & Applications》上。
 

　　拓撲光子學為開發(fā)具有固有魯棒性的量子光源提供了全新思路，這類新型量子光源對結構中的無序或缺陷免疫。目前，拓撲量子光學僅聚焦于利用拓撲邊緣態(tài)或角態(tài)，具有高提取效率的拓撲量子光源仍待探索。本研究首次創(chuàng)新性地利用具有垂直方向性的拓撲體態(tài)，增強了半導體量子點的單光子輻射性能,理論計算表明單光子提取效率可達92%。利用非規(guī)則的"Q"形拓撲腔結構，研究團隊實驗驗證了具有拓撲魯棒性的腔-點相互作用。
 

圖1 具有高提取效率的拓撲體態(tài)單光子源
 

　　基于該拓撲體腔-單個量子點耦合體系，實驗上觀測到1.6倍的Purcell因子。同時，該體系中的Purcell效應對量子點的空間位置和輻射波長具有較大的容差。模擬計算表明，上述器件在8.6 nm的寬譜失諧范圍或2.5 mm2的覆蓋區(qū)域內(nèi)，均可保持Purcell因子大于1.6。本研究為開發(fā)具有高提取效率和對非規(guī)則腔體邊界免疫的拓撲保護量子光源提供了創(chuàng)新解決方案。
 

圖2魯棒的拓撲體態(tài)-量子點相互作用
 

　　該論文第一作者為量子院博士后冒芯蕊、工程師冀偉杰和中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院助理研究員王少雷，通訊作者為量子院助理研究員吳邦，其他合作者還包括中國科學院半導體所博士后劉汗青、研究員倪海橋和牛智川，量子院助理研究員王旭杰、工程師劉麗、副研究員周來和首席科學家袁之良。該研究工作得到了北京市自然科學基金、中國博士后科學基金、國家自然科學基金的支持。