近日，北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)光量子通信与器件团队和中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院半导体所合作，成功实现了具有垂直方向性的拓扑体态单光子源，该新型单光子源展现出拓扑保护的量子点-腔耦合特性，并且理论上可实现高达92%的光子提取效率。 2025年8月 28 日，该研究成果以“A single-photon source based on topological bulk cavity”为题发表在国际著名学术期刊《Light: Science & Applications》上。
拓扑光子学为开发具有固有鲁棒性的量子光源提供了全新思路，这类新型量子光源对结构中的无序或缺陷免疫。目前，拓扑量子光学仅聚焦于利用拓扑边缘态或角态，具有高提取效率的拓扑量子光源仍待探索。本研究首次创新性地利用具有垂直方向性的拓扑体态，增强了半导体量子点的单光子辐射性能,理论计算表明单光子提取效率可达92%。利用非规则的"Q"形拓扑腔结构，研究团队实验验证了具有拓扑鲁棒性的腔-点相互作用。
图1 具有高提取效率的拓扑体态单光子源
基于该拓扑体腔-单个量子点耦合体系，实验上观测到1.6倍的Purcell因子。同时，该体系中的Purcell效应对量子点的空间位置和辐射波长具有较大的容差。模拟计算表明，上述器件在8.6 nm的宽谱失谐范围或2.5 mm2的覆盖区域内，均可保持Purcell因子大于1.6。本研究为开发具有高提取效率和对非规则腔体边界免疫的拓扑保护量子光源提供了创新解决方案。
图2鲁棒的拓扑体态-量子点相互作用
该论文第一作者为量子院博士后冒芯蕊、工程师冀伟杰和中国科学院空天信息创新研究院助理研究员王少雷，通讯作者为量子院助理研究员吴邦，其他合作者还包括中国科学院半导体所博士后刘汗青、研究员倪海桥和牛智川，量子院助理研究员王旭杰、工程师刘丽、副研究员周来和首席科学家袁之良。该研究工作得到了北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、国家自然科学基金的支持。
