近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）超快光谱学团队和清华大学及国际合作者，在提高单光子发射不可分辨性的方案研究方面取得进展，提出利用拓扑性质应用于主动量子光学系统，可显著提高单光子发射的不可分辨性。2024年1月23日，该研究成果以“Topological single-photon emission from quantum emitter chains” 为题发表于《npj量子信息》（npj Quantum Information）上。

单光子源在量子信息领域起着至关重要的作用。高亮度和不可分辨的单光子源是集成量子信息芯片至关重要的零件。然而，很多单光子源（如半导体量子点）都受到声子散射和光谱扩散的影响，这会在温度升高时进一步造成谱线非均匀性展宽，从而大大降低单光子的不可分辨性，阻碍了单光子源在室温下的实际应用和操作。此外，现有的减少展宽的努力通常依赖于外部控制。到目前为止，还没有任何研究探索从本质上利用拓扑性质来保护和优化单光子发射特性。

在这一研究中，超快光谱学研究团队提出了一种提高单光子发射不可分辨性的理论模型。该模型是由量子点（二能级系统）组成的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）一维链式结构，通过调控量子点之间的跃迁强度，可以使系统在拓扑平庸态和非平庸态之间发生相变，收集来自边缘处量子点发射的光子进行研究（图1）。当系统处于拓扑非平庸态时，相比于单个量子点和处于拓扑平庸态的链式结构，可以观测到发射谱线展宽的显著降低。

图1 单个量子点，处于拓扑平庸态的量子点链和处于拓扑非平庸态的量子点链的发射光谱对比。

该线宽压窄效应在拓扑相变点附近尤为明显，并且随着链式结构中量子点的数目增加，该效应也会进一步增强。深入研究系统哈密顿量的统计性质，团队发现在拓扑非平庸区域出现了拓扑边缘态，并且该边缘态本征能量的分布在接近拓扑相变点时出现了显著的约束现象。这种拓扑鲁棒性是线宽压窄效应的背后机制。此外，研究人员模拟了系统的二阶关联函数和Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉效应，进一步从量子光学角度验证了量子点链式结构的发光是单光子发射以及可以有效地提升单光子发射的不可分辨性。进一步考虑模型的实验实现方案，研究团队选取了几种常见的单光子源作为研究对象，应用于微柱以及微腔模型，证明了通过改变微柱势阱深度、量子点间距和微腔耦合强度，可以调控跃迁强度从而使模型具有充分的实验可行性。

该论文共同第一作者为清华大学物理系博士生及量子院实习生王毓彬和南洋理工大学博士后许华文，共同通讯作者为量子院副研究员Sanjib Ghosh博士和清华大学物理系教授及量子院兼聘研究员熊启华教授，论文合作者还包括南洋理工大学副教授Timothy C. H. Liew。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、优秀青年科学基金项目（海外）、量子院启动经费和新加坡教育部学术研究基金等科研经费的支持。

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https://www.nature.com/articles/s41534-024-00807-y