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量子拓撲光子學進展:准晶中的量子拓撲邊界態

10月15日,国际材料与器件领域学术期刊《先进材料》(Advanced Materials,影响因子25.8)以“Quantum Topological Boundary States in Quasi-Crystals”为题在线发表了上海交通大学物理与天文学院金贤敏课题组在量子信息与拓扑光学交叉领域取得的重要进展,演示了准晶中的量子拓扑边界态,以及拓扑为单光子的量子性质带来的直接保护作用。

 

准晶概念圖(中)以及其截面圖(上)和所有模式的空間分布特性(下)

拓扑光子学从凝聚态物理中发展而来,最初的目的是对光子传输进行拓扑保护,使其免受由于加工导致的晶格散射以及结构无序影响。拓扑相作为材料以及人造结构一项重要性质,近年来被广泛研究,众多研究都表明拓扑相具有保护物理场的能力。受此启发,研究团队认为这种拓扑相的保护能力或许可以被推广到量子领域并用来保护量子性质,这可以在量子纠错 (quantum error correction) 和拓扑量子计算 (topological quantum computing) 两个方法之外找到另外一条用以保护量子性质可选的道路。

研究團隊利用三維激光直寫技術構建了具有拓撲邊界態的准晶晶格。如概念圖所示,將光子從邊界注入晶格中將會激發准晶受拓撲保護的邊界態,如果從中間注入光子,則只能激發准晶的平庸體態。完美的單光子在准晶的邊界態中能夠很好的保持自身量子性質,而在體態中的單光子則會受擴散影響不能保持自己良好的量子性質。研究團隊爲了進一步驗證這種量子保護能力在實際應用中的表現,將實驗裝置至于噪音光下,並逐步增加噪音光源的亮度。實驗結果表明相比于體態中的光子,邊界態中的單光子在噪音環境下始終能夠保持相對較好的量子性質。隨著噪音水平的增加,研究團隊展示了這種保護能力的最大潛能。

實驗示意圖(a)以及實際裝置圖(b)。(c)相比于體態中的光子,邊界態中的單光子在噪音環境下始終能夠保持相對較好的量子性質。(d)隨著噪音水平的增加,實驗展示了這種保護能力的最大潛能。

该工作与近期的工作一同将拓扑相的保护机制推广到量子领域用来直接保护量子性质,这标志着一种新的保护量子性质方法的实现。研究团队在文中展望了正在兴起的量子拓扑光子学这一全新研究方向,这是拓扑物理与量子信息的交叉,近期国际上多个小组在该方向有重要突破。金贤敏课题组是最早开展相关研究的团队之一,近期也完成了系列研究工作,除了该工作之外,还包括量子关联[Optica, 6, 955-960 (2019)]以及量子纠缠[arXiv:1903.03015 (2019)]的拓扑保护,为进行拓扑量子模拟和量子计算提供了新的方向。

最近一期美国《科学》(Science)杂志以“Protecting the quantum”为题报道了研究团队的量子关联拓扑保护的研究成果。《科学》杂志高级主编Ian Osborne撰文指出,单光子因为具有鲁棒性、高带宽、以及能远距离传输等特点,是理想的量子信息载体。然而,对于芯片化应用,光子不可避免与环境媒体相互作用从而导致损耗。这一现象不仅导致光子间的非经典关联消失,可能对脆弱的纠缠光子影响更大。研究团队展示了拓扑可以用来保护光子免受耗散和无序的影响,并实验演示了集成光子芯片上的光子间量子关联的拓扑保护。

物理与天文学院博士生王耀为论文第一作者,金贤敏教授为论文通讯作者。研究团队感谢上海市科委重大項目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭,感谢中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adma.201905624

https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1415.3

https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000955