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新研究院、中國科學院半導體所合作，成功實現了具有垂直方向性的拓撲體態單光子源，該新型單光子源展現出拓撲保護的量子點-腔耦合特性，并且理論上可實現高達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”為題發表在國際著名學術期刊《Light: Science & Applications》上。
拓撲光子學為開發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或角態，具有高提取效率的拓撲量子光源仍待探索。本研究首次創新性地利用具有垂直方向性的拓撲體態，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的覆蓋區域內，均可保持Purcell因子大于1.6。本研究為開發具有高提取效率和對非規則腔體邊界免疫的拓撲保護量子光源提供了創新解決方案。
圖2魯棒的拓撲體態-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。
