中國科大實現(xiàn)基于簡并腔內(nèi)渦旋光子的拓撲量子模擬

　　來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊在基于人工合成維度的量子模擬方面取得重要實驗進展。該團隊李傳鋒、許金時、韓永建等人將攜帶不同軌道角動量的光子（又稱為渦旋光子）束縛在簡并光學諧振腔內(nèi)，通過引入光子的自旋軌道耦合人工合成了一維的拓撲晶格，為拓撲量子模擬開創(chuàng)了一種新的方法。

　　渦旋光子攜帶的軌道角動量數(shù)目原理上可以無限，是構建人工合成維度的理想載體。

　　在人工合成維度的量子模擬研究方面，中科院量子信息重點實驗室的周正威教授研究組早在2015年就首次理論提出基于人工合成光子軌道角動量維度實現(xiàn)量子模擬的方案。李傳鋒、許金時等人在這一方向上進行了長期的實驗探索，先后搭建了基于平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡并光學腔，實現(xiàn)腔內(nèi)超過46階軌道角動量模式的諧振。

　　在此基礎上，研究組創(chuàng)造性地在駐波簡并腔中引入具有各向異性的液晶相位片（如圖a所示），實現(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動量和光子自旋（即偏振）的耦合。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動量是整數(shù)分立的，與一維離散晶格相對應。因此攜帶不同軌道角動量的光子可以等效為位于不同晶格格點上的準粒子，并通過自旋自由度將具有不同軌道角動量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點之間的來回躍遷（如圖b所示）。

實驗裝置與理論模型示意圖：a. 簡并光學諧振腔b. 人工合成光子軌道角動量晶格（圖片來源：中國科大）

　　其次，研究組利用共振能譜探測技術，直接刻畫了該自旋軌道耦合系統(tǒng)的態(tài)密度和能帶結構；利用該實驗裝置優(yōu)異的可調(diào)諧性能，清晰展現(xiàn)了周期性驅動系統(tǒng)能帶打開和閉合的演化過程；除此之外，還進一步引入不同的演化時序，系統(tǒng)地研究了不同拓撲結構的特性并探測到拓撲繞數(shù)。

　　該成果驗證了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓撲物理系統(tǒng)提供了一個高度緊湊的實驗平臺。

　　該成果于4月19日在國際知名學術期刊《自然·通訊》上發(fā)表。論文的共同第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士研究生楊木，以及碩士研究生張昊清、廖昱瑋。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。

　　轉自：C114通信網(wǎng)

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