自量子信息科学兴起以来，单光子始终是量子通信、量子计算等领域的关键信息载体，而半导体量子点单光子源因其超高亮度和固态可集成性，被视为构建可扩展量子平台的关键"量子引擎"。过去二十年，科学家们通过微纳光子结构成功实现了高效单光子发射，但纳米尺度下光与物质相互作用的"脆弱性"成为致命短板——微小结构缺陷或量子点与光学腔的纳米级位置偏差，都可能导致整个系统性能崩塌。近年兴起的拓扑量子光学虽为量子光源带来抗结构扰动新思路，但研究焦点长期聚焦于边界态和角态，拓扑体态在量子光学领域的潜力尚未挖掘。更关键的是，现有拓扑量子光源的"光子提取效率"这一核心指标长期缺乏突破性方案。近日，北京量子信息科学研究院首席科学家袁之良团队首次将半导体量子点与拓扑体态腔精准耦合，构建出兼具高鲁棒性和高效率的单光子源。这一突破不仅为开发抗结构缺陷量子光源开辟新路径，更揭示了拓扑体态在量子光芯片、量子通信等领域的巨大应用潜力。相关研究成果以 “A single-photon source based on topological bulk cavity” 为题发表于国际顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

半导体量子点与光学微腔耦合虽能实现高效单光子发射，却面临纳米尺度的双重约束：量子点需与光学腔达成亚波长级精确定位，且微纳结构的微小缺陷极易破坏腔-点耦合体系；近年发展的拓扑边界态与角态方案虽提升了抗扰动性，但边界态因面内发散的远场特性导致光子提取效率显著受限，多应用于手性量子界面，角态则受限于微小模式体积而对量子点定位精度要求严苛。尽管超分辨荧光成像技术已实现腔-点空间匹配，高提取效率与强鲁棒性的协同优化仍是核心挑战。本研究首创将量子点耦合于垂直面发射的拓扑体态光腔，利用能带反转机制构建兼具大模场面积与宽光谱兼容性的"光子牢笼"，在维持拓扑抗扰优势的同时，实现了单光子提取效率的突破性提升。

研究亮点

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(图1所示)，我们实验验证了具有拓扑鲁棒性的腔-点相互作用。

图1. 基于拓扑体腔的高效单光子源（a）单光子源示意图：单个量子点（QD）耦合于Q形拓扑体腔。插图：平庸与非平庸光子晶体的晶胞结构。（b）量子点发射光子的二阶自相关测量结果。（c）优化单光子源提取效率随数值孔径（NA）变化的模拟曲线。插图：优化结构的角分辨远场电场强度分布（|E|²）。

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(图2所示)。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. 拓扑体腔中量子点-腔相互作用的鲁棒性（a） 体态Purcell因子随发射波长变化的模拟结果（红点）。对比显示图2c的体态光致发光（PL）光谱（黑线）。插图：单辐射源耦合体态的模拟辐射场（|E|²）。（b） 体态Purcell因子随辐射源位置变化的模拟（红点）及对应电场强度分布（黑线）。（c） 耦合拓扑体腔的QD1与QD2的XX光子辐射寿命测量值（红）对比体材料中量子点的XX光子寿命（蓝）。（d） 左图：QD1、QD2及体材料量子点（绿色箭头标识）的XX光子时间分辨计数。右图：QD1与QD2在拓扑体腔中的相对位置。

总结与展望

本研究成功展示了一种基于拓扑体腔的单量子点新型单光子源。该拓扑腔中的偶极状体态具有低品质因子（Q值）特性，其模式尺寸仅由拓扑界面决定，可灵活调控。这一特性实现了宽带Purcell效应，并赋予光-物质相互作用对量子点定位的强鲁棒性。时间分辨荧光光谱证实：当单量子点与不规则Q形拓扑腔共振时，Purcell因子达1.6；二阶自相关测量则验证了单光子发射的反聚束行为。此外，因能带反转局域效应发生于Γ点附近，该单光子源展现出定向垂直发射特性，模拟提取效率高达92%。本工作为开发兼具高提取效率和强腔-点相互作用鲁棒性（抵御不规则腔边界扰动）的拓扑保护量子光源提供了新范式。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01929-4