资讯：Nature Physics | 科学家实现纳米光子量子Skyrmion，开启拓扑量子光学新纪元

Skyrmions 是一种物理模型，用于描述物理中场或粒子的拓扑稳定结构。这一概念的普适性已在多种物理体系中得到验证，包括核子、液晶、玻色-爱因斯坦凝聚态以及磁性材料。通常，静态磁性 skyrmion 提供更高的信息存储容量，而可传播的光学 skyrmion 则可实现远距离稳定传播与信息传递。此外，将具有鲁棒性和多样性的拓扑纹理编码进光子中，不仅为矢量场的调控提供了额外自由度，还能进一步提升信息容量。因此，在光场中生成 skyrmionic 结构，已成为基础光学科学和现代光子技术的前沿研究方向。

光学 skyrmion 最初是在消逝波的电场以及具轨道角动量（OAM）的受限电磁场的自旋场中实现的。随后，人们又在多种光学构型中构建了 skyrmion，包括某些庞加莱光束的 Stokes 矢量、时空脉冲中的磁矢量以及人工周期结构中的伪自旋等。尽管在理论和实验上利用体光学手段已取得了一系列创建光学 skyrmion 的进展，但通过紧凑光源与微型器件直接生成 skyrmion 的方案依然极具吸引力，因为这类方案具备器件尺寸小、系统稳定性高、功耗低以及易于规模化生产等优势。此外，将光学 skyrmion 从经典领域扩展至量子领域，也为鲁棒的高维量子技术带来了全新机遇。

然而，目前尚未实现能在集成平台上直接产生具有局域拓扑结构的单光子 skyrmion。在本研究中，他们提出并演示了一种纳米光子量子 skyrmion 的实现方案，该结构实质上是极化态呈现 skyrmionic 拓扑的单光子，构建于半导体腔量子电动力学（cQED）系统中。他们利用半导体-介电体微腔中的光子自旋–轨道耦合（SO 耦合），获得了具有 skyrmionic 拓扑结构的频率简并腔模，并通过非厄米物理实现了这些简并模之间的选择性破缺与可控调节。

在实验方面，要在现有集成平台（如微激光器和激子-极化子系统）中实现量子态光的纳米光子 skyrmion 生成极具挑战性，主要源于三个严格条件：第一，腔体必须提供强而平滑的横向光场约束；第二，SO 耦合要求腔体具备较大的面内 TE-TM（横电–横磁）模式分裂，且需消除其他非忽略的极化分裂；第三，腔体中心需具备足够小体积的圆偏振增益源。

为克服这些挑战，中山大学电子与信息工程学院Jin Liu/喻颖团队在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Nanophotonic quantum skyrmions enabled by semiconductor cavity quantum electrodynamics”的最新论文。他们引入了一个受磁场作用的半导体量子点（QD）作为圆偏振偶极光源，使其选择性地与具有不同拓扑极性的 skyrmion 腔模相互作用。当 QD 的发射波长调谐至腔体共振位置时，cQED 系统即可发出单光子 skyrmion。这些 skyrmion 具有优异的单光子纯度，其二阶相关函数 g⁽²⁾(0)低至 0.035，Purcell 因子为 3.3，skyrmion 数分别为 −1.9 和 1.88，理论值为 ±2。

他们还研究了这些单光子 skyrmion 在通过不同光学元件过程中所表现出的拓扑稳定性，发现其 skyrmion 数在强度、偏振和相位扰动下保持不变。他们的工作首次将 skyrmion 光–物质相互作用引入此前未被探索的 cQED 领域，并有望推动鲁棒量子纠缠、高维量子通信和高容量量子存储等量子技术的发展。

本文通过在半导体腔量子电动力学系统中实现纳米光子量子 skyrmion，开辟了量子光学与拓扑物理交叉的新领域，展示了光子拓扑态在量子信息技术中的巨大潜力。实验中利用光子自旋–轨道耦合和受控的量子点发射，实现了单光子偏振态的拓扑结构，成功生成并调控了单光子 skyrmion，体现了拓扑态在微纳尺度下的稳定性和鲁棒性。该研究不仅突破了传统光学 skyrmion 多依赖体光学平台的限制，实现了紧凑集成的量子拓扑光源，而且验证了拓扑结构在强扰动下的保护机制，增强了量子态传输和存储的可靠性。此项工作为构建具备高维度量子比特和高容量量子存储的鲁棒光子量子器件提供了新思路，有望推动高性能量子通信、量子计算和量子传感的发展。未来，将量子光学 skyrmion 从经典向量场扩展至量子态的成功实现，必将促进拓扑量子技术与纳米光子器件的深度融合，推动量子科技迈向更广阔的应用前景。