王剑威、胡小永、龚旗煌课题组实现拓扑保护的集成量子纠缠光源

    近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、“极端光学创新研究团队”王剑威研究员、胡小永教授和龚旗煌院士课题组与来自中国科学院微电子研究所、上海交通大学、浙江大学、英国布里斯托尔大学、澳大利亚西澳大学等的学者合作，共同实现了拓扑保护的集成量子纠缠光源，在基于硅基二维耦合谐振环构型的反常弗洛凯（Floquet）拓扑绝缘体器件的拓扑边界上，制备出了具有拓扑鲁棒性的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠态和多光子纠缠态。联合研究团队通过实验观测量子干涉和量子态层析技术，并对比完美无结构缺陷的拓扑量子纠缠光源、带结构缺陷的拓扑量子纠缠光源、以及平凡的量子光源等多种构型，首次在实验上证明了量子纠缠源在存在某些类结构缺陷和加工误差的情况下，依然具有和完美器件近乎一致的高量子态保真度和纯度。

图1 (a)带缺陷的拓扑保护纠缠光源示意图；(b) 拓扑量子纠缠光源显微镜实物图；(c,d) 上下赝自旋的拓扑边界态成像图；(e)体态成像图；(f)北京大学“PKU”形状缺陷器件及其边界态成像图

图2 拓扑量子纠缠态及其密度矩阵实验结果：（上）完美无结构缺陷的拓扑量子纠缠光源；（中）带结构缺陷的拓扑量子纠缠光源；（下）平凡量子光源

    2022年2月17日，相关成果以“拓扑保护的量子纠缠光源”（Topologically Protected Quantum Entanglement Emitters）为题，在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。北京大学物理学院2019级博士研究生戴天祥、2017级博士研究生敖雨田、2018级博士研究生包觉明、2020级博士研究生茆峻、2019级博士研究生池昱霖为文章共同第一作者，王剑威、胡小永、龚旗煌与中国科学院微电子研究所杨妍研究员为共同通讯作者；主要合作者还包括中国科学院微电子研究所李志华研究员、唐波研究员，上海交通大学袁璐琦教授，浙江大学高飞教授、林晓教授，英国布里斯托尔大学Mark Thompson教授，澳大利亚西澳大学Jeremy O’Brien教授，北京大学物理学院李焱教授，以及北京大学物理学院本科生傅兆瑢、尤一龙（现为2021级博士研究生），博士研究生陈晓炯、翟翀昊。