近日，北京量子信息科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱“量子院”）超快光譜學(xué)團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)及國(guó)際合作者，在提高單光子發(fā)射不可分辨性的方案研究方面取得進(jìn)展，提出利用拓?fù)湫再|(zhì)應(yīng)用于主動(dòng)量子光學(xué)系統(tǒng)，可顯著提高單光子發(fā)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(fā)表于《npj量子信息》（npj Quantum Information）上。

單光子源在量子信息領(lǐng)域起著至關(guān)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(guān)重要的零件。然而，很多單光子源（如半導(dǎo)體量子點(diǎn)）都受到聲子散射和光譜擴(kuò)散的影響，這會(huì)在溫度升高時(shí)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用和操作。此外，現(xiàn)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(zhì)上利用拓?fù)湫再|(zhì)來(lái)保護(hù)和優(yōu)化單光子發(fā)射特性。

在這一研究中，超快光譜學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種提高單光子發(fā)射不可分辨性的理論模型。該模型是由量子點(diǎn)（二能級(jí)系統(tǒng)）組成的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）一維鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，通過調(diào)控量子點(diǎn)之間的躍遷強(qiáng)度，可以使系統(tǒng)在拓?fù)淦接箲B(tài)和非平庸態(tài)之間發(fā)生相變，收集來(lái)自邊緣處量子點(diǎn)發(fā)射的光子進(jìn)行研究（圖1）。當(dāng)系統(tǒng)處于拓?fù)浞瞧接箲B(tài)時(shí)，相比于單個(gè)量子點(diǎn)和處于拓?fù)淦接箲B(tài)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，可以觀測(cè)到發(fā)射譜線展寬的顯著降低。

該線寬壓窄效應(yīng)在拓?fù)湎嘧凕c(diǎn)附近尤為明顯，并且隨著鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中量子點(diǎn)的數(shù)目增加，該效應(yīng)也會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。深入研究系統(tǒng)哈密頓量的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在拓?fù)浞瞧接箙^(qū)域出現(xiàn)了拓?fù)溥吘墤B(tài)，并且該邊緣態(tài)本征能量的分布在接近拓?fù)湎嘧凕c(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了顯著的約束現(xiàn)象。這種拓?fù)漪敯粜允蔷€寬壓窄效應(yīng)的背后機(jī)制。此外，研究人員模擬了系統(tǒng)的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)和Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉效應(yīng)，進(jìn)一步從量子光學(xué)角度驗(yàn)證了量子點(diǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的發(fā)光是單光子發(fā)射以及可以有效地提升單光子發(fā)射的不可分辨性。進(jìn)一步考慮模型的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案，研究團(tuán)隊(duì)選取了幾種常見的單光子源作為研究對(duì)象，應(yīng)用于微柱以及微腔模型，證明了通過改變微柱勢(shì)阱深度、量子點(diǎn)間距和微腔耦合強(qiáng)度，可以調(diào)控躍遷強(qiáng)度從而使模型具有充分的實(shí)驗(yàn)可行性。

該論文共同第一作者為清華大學(xué)物理系博士生及量子院實(shí)習(xí)生王毓彬和南洋理工大學(xué)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(xué)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(xué)副教授Timothy C. H. Liew。

該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（海外）、量子院?jiǎn)?dòng)經(jīng)費(fèi)和新加坡教育部學(xué)術(shù)研究基金等科研經(jīng)費(fèi)的支持。

（來(lái)源： 北京量子院）