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北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團隊首次成功實現(xiàn)了基于拓?fù)潴w態(tài)的單光子源
近日，北京量子信息科學(xué)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(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所合作，成功實現(xiàn)了具有垂直方向性的拓?fù)潴w態(tài)單光子源，該新型單光子源展現(xiàn)出拓?fù)浔Ｗo的量子點-腔耦合特性，并且理論上可實現(xiàn)高達(dá)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(xué)術(shù)期刊《Light: Science & Applications》上。 
拓?fù)涔庾訉W(xué)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(jié)構(gòu)中的無序或缺陷免疫。目前，拓?fù)淞孔庸鈱W(xué)僅聚焦于利用拓?fù)溥吘墤B(tài)或角態(tài)，具有高提取效率的拓?fù)淞孔庸庠慈源剿?。本研究首次?chuàng)新性地利用具有垂直方向性的拓?fù)潴w態(tài)，增強了半導(dǎo)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(dá)92%。利用非規(guī)則的"Q"形拓?fù)淝唤Y(jié)構(gòu)，研究團隊實驗驗證了具有拓?fù)漪敯粜缘那?點相互作用。
圖1 具有高提取效率的拓?fù)潴w態(tài)單光子源
基于該拓?fù)潴w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(yīng)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?fù)浔Ｗo量子光源提供了創(chuàng)新解決方案。
圖2魯棒的拓?fù)潴w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(xué)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(xué)院半導(dǎo)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(xué)家袁之良。該研究工作得到了北京市自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金的支持。
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