近日，北京量子信息科學研究院（簡稱“量子院”）超快光譜學團隊和清華大學及國際合作者，在提高單光子發射不可分辨性的方案研究方面取得進展，提出利用拓撲性質應用于主動量子光學系統，可顯著提高單光子發射的不可分辨性。2024年1月23日，該研究成果以“Topological single-photon emission from quantum emitter chains” 為題發表于《npj量子信息》（npj Quantum Information）上。

單光子源在量子信息領域起著至關重要的作用。高亮度和不可分辨的單光子源是集成量子信息芯片至關重要的零件。然而，很多單光子源（如半導體量子點）都受到聲子散射和光譜擴散的影響，這會在溫度升高時進一步造成譜線非均勻性展寬，從而大大降低單光子的不可分辨性，阻礙了單光子源在室溫下的實際應用和操作。此外，現有的減少展寬的努力通常依賴于外部控制。到目前為止，還沒有任何研究探索從本質上利用拓撲性質來保護和優化單光子發射特性。

在這一研究中，超快光譜學研究團隊提出了一種提高單光子發射不可分辨性的理論模型。該模型是由量子點（二能級系統）組成的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）一維鏈式結構，通過調控量子點之間的躍遷強度，可以使系統在拓撲平庸態和非平庸態之間發生相變，收集來自邊緣處量子點發射的光子進行研究（圖1）。當系統處于拓撲非平庸態時，相比于單個量子點和處于拓撲平庸態的鏈式結構，可以觀測到發射譜線展寬的顯著降低。

該線寬壓窄效應在拓撲相變點附近尤為明顯，并且隨著鏈式結構中量子點的數目增加，該效應也會進一步增強。深入研究系統哈密頓量的統計性質，團隊發現在拓撲非平庸區域出現了拓撲邊緣態，并且該邊緣態本征能量的分布在接近拓撲相變點時出現了顯著的約束現象。這種拓撲魯棒性是線寬壓窄效應的背后機制。此外，研究人員模擬了系統的二階關聯函數和Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉效應，進一步從量子光學角度驗證了量子點鏈式結構的發光是單光子發射以及可以有效地提升單光子發射的不可分辨性。進一步考慮模型的實驗實現方案，研究團隊選取了幾種常見的單光子源作為研究對象，應用于微柱以及微腔模型，證明了通過改變微柱勢阱深度、量子點間距和微腔耦合強度，可以調控躍遷強度從而使模型具有充分的實驗可行性。

該論文共同第一作者為清華大學物理系博士生及量子院實習生王毓彬和南洋理工大學博士后許華文，共同通訊作者為量子院副研究員Sanjib Ghosh博士和清華大學物理系教授及量子院兼聘研究員熊啟華教授，論文合作者還包括南洋理工大學副教授Timothy C. H. Liew。

該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、優秀青年科學基金項目（海外）、量子院啟動經費和新加坡教育部學術研究基金等科研經費的支持。

（來源： 北京量子院）