中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)任希鋒研究組與中山大學(xué)董建文、浙江大學(xué)戴道鋅等研究組合作，基于光子能谷霍爾效應(yīng)，在能谷相關(guān)拓?fù)浣^緣體芯片結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了量子干涉，相關(guān)成果以“編輯推薦文章( Editors' Suggestion)”的形式6月11日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

拓?fù)涔庾訉W(xué)由于具有魯棒性的能量輸運(yùn)性質(zhì)，在光子芯片研究方向具有實(shí)用化的應(yīng)用前景。產(chǎn)生拓?fù)湎嘧兊年P(guān)鍵在于通過(guò)破壞系統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性或空間反演對(duì)稱(chēng)性，以在能級(jí)簡(jiǎn)并點(diǎn)產(chǎn)生能隙，從而形成受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界態(tài)。對(duì)于空間反演對(duì)稱(chēng)性被破壞的系統(tǒng)，在拓?fù)鋽?shù)不同的區(qū)域組成的邊界處，能支持能谷相關(guān)的方向性傳播的邊界態(tài)模式，即光子能谷霍爾效應(yīng)。具有不同亞晶格能量的周期排布的六角光子晶體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)這樣的能谷光子拓?fù)浣^緣體，從而可用于構(gòu)建更加緊湊的急劇彎折的光學(xué)線(xiàn)路，提高光子芯片的器件集成度和魯棒性。近年來(lái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中魯棒性的量子態(tài)傳輸成為熱門(mén)的研究方向，而量子干涉作為光量子信息過(guò)程的核心，尚未在拓?fù)浔Ｗo(hù)光子晶體芯片中實(shí)現(xiàn)。

光量子芯片示意圖

任希鋒研究組與中山大學(xué)董建文課題組合作在硅光子晶體體系中設(shè)計(jì)并制備出了“魚(yú)叉”形的拓?fù)浞质�器結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)六角晶格結(jié)構(gòu)的光子晶體中的電場(chǎng)相位渦旋方向依賴(lài)于不同拓?fù)潢悢?shù)的晶格結(jié)構(gòu)以及其所處的能帶位置，可以構(gòu)造出兩種不同結(jié)構(gòu)的拓?fù)溥吔��；�于能谷相關(guān)方向性傳輸?shù)臋C(jī)理，設(shè)計(jì)并加工了拐角可達(dá)到120度的“魚(yú)叉”形拓?fù)浞质�器，并在此結(jié)構(gòu)上演示了高可見(jiàn)度的雙光子干涉過(guò)程，干涉可見(jiàn)度達(dá)到95.6%。進(jìn)一步通過(guò)級(jí)聯(lián)兩個(gè)拓?fù)浞质�器結(jié)構(gòu)演示了片上路徑編碼量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生。

該成果為拓?fù)涔庾訉W(xué)特別是能谷光子拓?fù)浣^緣體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于更加深入的量子信息處理過(guò)程提供了一個(gè)新的思路，審稿人一致認(rèn)為這是一個(gè)有趣且重要的研究工作，并給出高度評(píng)價(jià)：“This is an interesting and important work （這是一個(gè)有趣而且重要的工作）”“I find the results interesting, in particular, the implementation of the HOM effect in this device, which may have implications in high fidelity on-chip quantum information processing（這個(gè)結(jié)果非常有趣，特別的，器件中實(shí)現(xiàn)的HOM干涉過(guò)程可能對(duì)高保真片上量子信息處理起到重要作用）”。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任希鋒教授、中山大學(xué)董建文教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生陳陽(yáng)和中山大學(xué)博士后何辛濤為論文共同第一作者，浙江大學(xué)戴道鋅研究組參與工作。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.230503