中國(guó)科大在基于人工維度全光器件設(shè)計(jì)方面取得進(jìn)展

　　中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在基于人工維度的全光器件的設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室教授周正威小組在理論上提出通過調(diào)控簡(jiǎn)并光腔中的軌道角動(dòng)量光子可以實(shí)現(xiàn)全光量子存儲(chǔ)器和濾波器，這為光學(xué)人工維度的應(yīng)用開創(chuàng)了一條新的道路。主要研究成果于7月14日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》[Nat. Commun. 8, Article Number 16097 (2017)]上。

　　全光器件在傳統(tǒng)的光通訊、量子信息等領(lǐng)域非常重要，但全光器件的設(shè)計(jì)是基于光子在真實(shí)空間中的傳播和干涉，它需要對(duì)大量的光學(xué)元件進(jìn)行精確地控制，從而導(dǎo)致精密而復(fù)雜的全光器件非常難以實(shí)現(xiàn)。周正威等人提出了一種全新的設(shè)計(jì)全光器件的思路——即：通過調(diào)控光子的內(nèi)部自由度來實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計(jì)。他們將光子的軌道角動(dòng)量自由度映射為人造維度上的一個(gè)個(gè)空間格點(diǎn)，通過巧妙地設(shè)計(jì)這些人造維度中格點(diǎn)的躍遷，從而等效了光子在真實(shí)空間維度上的傳播。于是，通過調(diào)控光子在人工維度上的行為，最終即可實(shí)現(xiàn)全光器件的功能。利用這一思路，可以大大簡(jiǎn)化全光器件設(shè)計(jì)上的難度，在此基礎(chǔ)上，他們提出在這個(gè)系統(tǒng)中如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全光的量子存儲(chǔ)器和光學(xué)濾波器。

　　這個(gè)設(shè)計(jì)的巧妙之處在于，所有的這些光子軌道角動(dòng)量模式（用以映射人工維度上的空間格點(diǎn)）都可以包含在一個(gè)能量簡(jiǎn)并的光腔中，通過附加簡(jiǎn)單的光路，即可實(shí)現(xiàn)這些簡(jiǎn)并模式之間的躍遷。這一利用光子內(nèi)部自由度來映射人工維度的思想，最早亦為周正威等人提出，他們發(fā)表理論文章，提議可以用來模擬建立于人工維度上的具有拓?fù)湫再|(zhì)的光子晶體[Nat. Commun. 6, Article Number 7704 (2015)]以及周期驅(qū)動(dòng)下的拓?fù)洳牧系男再|(zhì)[Phys. Rev. Lett. 118, 083603 (2017)]。而當(dāng)前的這一工作，則是首次提出利用光學(xué)人工維度上的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)全光器件的設(shè)計(jì)。

　　目前，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李傳鋒組正在開展這個(gè)全新方向上的實(shí)驗(yàn)工作，他們已經(jīng)初步制備成功包含這些簡(jiǎn)并的光學(xué)軌道角動(dòng)量模式的光腔[Opt. Lett. 42, 2042 (2017)]。

　　中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士羅希望為文章的第一作者，周正威、周幸祥為文章的通訊作者。這項(xiàng)工作得到國(guó)家基金委、中科院、科技部、教育部的資助。

　　全光器件的設(shè)計(jì)原理示意圖。a）傳統(tǒng)的全光器件是基于光子在真實(shí)空間中的傳播和干涉，需精密地調(diào)控大量光學(xué)原件。b）利用光子在人工維度上的傳播和干涉來設(shè)計(jì)新型的全光器件。