拓扑耦合腔-波导量子电动力学系统中稳健单光子源的实现及其集成光子学应用

为解决集成量子光子电路中单光子源的可靠性和抗缺陷性能问题，研究人员基于InAs/GaAs量子点(QD)与拓扑耦合腔-波导(QED)系统，开发出具有高纯度(0.8)和亮度(11%)的单光子源。通过求解密度矩阵主方程证明，该系统对结构缺陷具有免疫性，为量子通信和计算提供了实用化解决方案。

　　

在量子技术蓬勃发展的今天，单光子源作为量子通信、密码学和计算的核心组件，其性能直接决定了整个系统的可靠性。然而，传统半导体量子点(QD)单光子源面临两大挑战：一是环境敏感性强，微小的结构缺陷或工艺误差就会导致性能急剧下降；二是与集成光子电路的兼容性不足。这些问题严重制约了量子技术的大规模实用化进程。

近年来，拓扑光子学的兴起为解决这些问题提供了新思路。拓扑光子系统具有独特的缺陷免疫特性，其光学模式受拓扑保护，即使存在结构无序也能保持稳定传输。将这一特性与腔量子电动力学(QED)系统结合，有望实现兼具高性能和鲁棒性的单光子源。正是基于这一背景，研究人员开展了拓扑耦合腔-波导(CCW)系统中单光子产生机制的研究，相关成果发表在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》。

研究采用数值求解有效腔QED系统约化密度矩阵的主方程方法，重点分析了InAs/GaAs量子点与拓扑CCW系统的相互作用动力学。通过构建包含边缘波导和角腔的二维谷霍尔光子晶体结构，系统实现了Q因子高达1267、模式体积仅0.214(λ/n)³
的拓扑角态，从而获得101倍的Purcell增强(指光与物质相互作用增强效应)和89%的量子效率。

结果与讨论

1. 系统设计：拓扑CCW系统由支持谷依赖角态的边波导和角腔构成，量子点精确位于角态电场最大处。这种设计既保证了单光子发射的方向性，又实现了与平面集成光子电路的兼容。

2. 动力学特性：在共振激发条件下，系统表现出0.8的单光子纯度和11%的源亮度。通过泵浦波与角态的对称性失配，有效消除了共振激发导致的串扰问题。

3. 缺陷免疫性：与非拓扑系统相比，该系统的单光子发射性能对腔体附近的结构缺陷表现出显著鲁棒性，这是拓扑保护机制的直接体现。

结论
该研究首次在理论上证实了拓扑CCW-QED系统作为稳健单光子源的可行性。系统兼具高Purcell增强、优异量子效率和缺陷免疫性三大优势，其平面集成兼容性更突破了传统拓扑腔只能面外发射的限制。这些发现为开发实用化量子光源提供了新范式，对推动量子光子芯片的发展具有重要意义。值得注意的是，研究中采用的数值方法为复杂拓扑量子系统的性能预测建立了可靠框架，其方法论价值同样值得关注。