基于拓扑体腔的量子点单光子源：高提取效率与结构鲁棒性的创新实现

研究人员针对量子光源对结构缺陷敏感和量子点(QD)与腔体耦合效率低的问题，创新性地利用拓扑体腔(Topological bulk cavity)耦合半导体量子点，实现了Purcell增强因子(Fp)达1.6的单光子发射，并预测92%的提取效率。该工作首次将拓扑体态应用于量子光学领域，为开发兼具高效率和结构鲁棒性的量子光源提供了新范式。

　　

在量子信息技术蓬勃发展的今天，半导体量子点(QD)单光子源因其优异的性能成为构建量子网络的核心元件。然而传统微纳结构中的光-物质相互作用对结构缺陷极其敏感，且量子点与光学腔体的耦合需要严格的谱匹配和位置对准，这些"娇气"的特性严重制约了器件的实用化进程。拓扑光子学的出现为解决这一难题提供了新思路——利用拓扑保护机制可以赋予光学模式对结构扰动的天然免疫力。但此前的研究多聚焦于边缘态或角态，对体态在量子光学中的应用仍是一片空白。

北京量子信息科学研究院的Xin-Rui Mao团队在《Light-Science & Applications》发表的这项研究，首次将拓扑体腔与量子点耦合，创造性地开发出兼具高提取效率和结构鲁棒性的单光子源。研究人员设计了一种不规则的"Q"形拓扑腔，通过能带反转诱导反射(band-inversion-induced reflection)实现体态的三维约束。这种独特的设计使得体态在Γ点附近具有垂直方向性，同时保持低品质因数(Q~10²)和大模式面积，为宽带Purcell增强和位置不敏感的量子点耦合创造了条件。

关键技术方法包括：采用分子束外延生长InAs/GaAs量子点样品；通过电子束光刻和干法刻蚀制备不规则拓扑腔结构；结合低温共聚焦显微系统进行时间分辨荧光测量和二阶关联测量；利用三维全波仿真计算Purcell因子和提取效率等参数。

研究结果部分：

"Design of single-photon source based on topological bulk state"展示了拓扑体腔的设计原理。通过将平庸和非平庸光子晶体(PC)组合形成"Q"形腔，体态在Γ点附近被能带反转效应约束，模拟显示其具有148的低Q值和小于8°的发散角。

"Fabrication and characterization of an irregular bulk cavity"呈现了器件的制备与表征。扫描电镜(SEM)确认了不规则腔体结构，光致发光(PL)谱在940.85 nm处观察到与偶极子体态对应的峰，实验测得Q值约120。

"Single-photon emission from the bulk cavity"证实了单光子发射特性。量子点双激子(XX)与腔模共振时强度显著增强，二阶关联测量显示g⁽²⁾(0)_X=0.05和g⁽²⁾(0)_XX=0.24，验证了单光子特性。

"Purcell effect of single QD in the bulk cavity"量化了Purcell增强效应。模拟显示在8.6 nm谱宽或2.5 μm²区域内F_p>1.6，实验测得两个量子点的XX寿命分别缩短1.6和1.5倍。

"Extraction efficiency of an optimized bulk cavity"预测了优化结构的性能。集成反射器的腔体模拟显示6.2°的小发散角和92%的提取效率，在0.15数值孔径(NA)下仍达77%。

这项研究的突破性在于首次将拓扑体态应用于量子光源，解决了传统结构对缺陷敏感和耦合容差小的核心难题。通过能带反转约束的体态不仅具有Purcell增强宽带特性和位置不敏感性，其Γ点附近的垂直辐射特性更实现了理论预测92%的提取效率。这种"双保险"设计——拓扑保护抵抗结构扰动，体态特性保证高效提取——为开发实用化量子光源开辟了新途径。特别值得注意的是，这种方案与电致发光结构兼容，未来可发展无需额外导电桥的电荷可调光源。该工作将拓扑体态这一在激光领域已显现优势的概念成功拓展到量子光学领域，为拓扑光子学与量子技术的深度融合提供了典范。