实现拓扑保护的双光子干涉

德国罗斯托克大学研究团队利用拓扑保护波传播的概念,成功地稳定了光学芯片中两个光子的干涉。研究团队实验证明了光子对的干涉行为由人工规范场的磁通量决定,表明拓扑结构可以保护双光子干涉免受光学元件制造误差带来的扰动。该研究为下一代光量子线路和受拓扑鲁棒量子门保护的可扩展量子计算铺平了道路。该成果于6月20日发表在《科学》杂志上。

1987年,物理学家Hong, Ou和Mandel在实验中观察到了光子对在分束器作用下的行为,他们发现一个光子能够与其他的光子一起形成干涉图案。这一突破性的发现已被证明是包括量子计算机在内的新型光学量子技术的重要组成部分,纠缠这一基本特征也被包括在其基本要素之内。直到最近,Hong, Ou和Mandel的这个实验才与拓扑这一抽象数学概念相关联。

罗斯托克大学的研究团队在拓扑结构中探索了光波导线路中光的演化。拓扑这个抽象的数学概念最初是指根据立体几何的整体性质来对其分类。研究人员成功地将光的拓扑鲁棒传播与光子对的干涉结合起来。

通过研究光子对在扭曲波导结构中的行为,研究团队观察到了其特殊的行为,光子对的相长或相消干涉由人工磁通量决定。这意味着即使波导系统的形状或长度在局部内有扰动,量子干涉也不受影响,从而其具有鲁棒性。论文的通讯作者Szameit解释说:“在拓扑系统中,光只遵循波导系统的全局特性。波导的局部扰动,如缺陷、空位和无序,都不能改变光的路径。”

研究团队长期以来一直在寻找量子干涉与拓扑之间的联系。Szameit说:“这个结果确实是一个里程碑。”该研究的第一作者Max Ehrhardt表示:“量子技术面临着复杂度日益增加的问题。因此,光学元件的拓扑保护是一种急需的设计工具,可以确保光学元件在有限的制造误差下仍正常运作。”

研究团队将观察到的奇特行为归因于光的量子特性。“一对相遇的光子会认为波导结构是扭曲的,这使得它们连接在一起......而单独通过波导的光子只能经历一个传统的平面。因此,我们有了拓扑结构上的一个差异。”Ehrhardt继续说道。

在此前的研究中,拓扑结构在光学中的应用已经为控制和保护光束的传播提供了途径。这一研究将拓扑概念扩展到量子光源,表明了光子的量子态也可以得到类似的保护。Szameit说道:“我们的波导系统为构建光的拓扑系统提供了丰富的可能性。该系统与量子光的共生只是一个开端。”引入拓扑保护的光子器件有望在非阿贝尔几何相、非保守系统和具有相互作用的多光子量子态等方向得到广泛的应用。

 

信息来源:“量子科话”微信公众号