北京大學(xué)王劍威研究員、胡小永教授、龔旗煌教授課題組與中國科學(xué)院微電子研究所楊妍研究員等合作者，將大規(guī)模硅基集成光芯片與拓撲光學(xué)緊密結(jié)合，首次實現(xiàn)了一種完全可編程的拓撲光子芯片。該芯片為模擬拓撲材料并預(yù)測其物理性質(zhì)，提供了全新硬件平臺，可動態(tài)模擬包含無序、缺陷和非均勻介質(zhì)的真實材料體系，為拓撲材料科學(xué)研究和拓撲光子技術(shù)發(fā)展提供了新途徑。這一研究成果日前以《可編程拓撲光子芯片》為題在線發(fā)表于《自然·材料》。

王劍威介紹，因其獨特物理特性，拓撲絕緣體長期以來備受關(guān)注。通過構(gòu)建可控的人工拓撲量子體系，科學(xué)家們希望能夠模擬拓撲材料物性，觀察新奇拓撲物理現(xiàn)象，并研制新型拓撲量子器件。常見人工拓撲量子體系包括光學(xué)、冷原子、離子與超導(dǎo)等，其可控能力體現(xiàn)在所有原子全局可調(diào)控、單個原子獨立可調(diào)控兩方面，而后者對實驗提出了巨大挑戰(zhàn)。

北京大學(xué)團隊與合作者通過結(jié)合大規(guī)模硅基集成光學(xué)與拓撲光學(xué)，成功研制出一種完全可編程的拓撲光子芯片。這款芯片基于可重構(gòu)的集成光學(xué)微環(huán)陣列，在僅11mm x 7mm的面積內(nèi)集成了2712個元件，首次成功實現(xiàn)了完全可編程的光學(xué)人造原子晶格。同時，研究人員在單一芯片平臺上實現(xiàn)了包括動態(tài)拓撲相變、多晶格拓撲絕緣體、統(tǒng)計相關(guān)拓撲魯棒性以及安德森拓撲絕緣體等多種拓撲現(xiàn)象的實驗驗證。

論文審稿的三名國際匿名評審人對本項工作給予高度評價，并指出：“這項工作證明了集成拓撲光子芯片的全能性，是本領(lǐng)域一項重大技術(shù)突破。該拓撲光子芯片代表了本領(lǐng)域最前沿的研究成果，也是迄今為止最為全面全能的可編程拓撲光子器件。”

“多功能且快速可編程的拓撲光子芯片，充分展現(xiàn)了大規(guī)模集成光學(xué)技術(shù)與前沿拓撲材料物理研究的結(jié)合，為先進光子芯片在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新范式�！毖芯繄F隊表示，通過發(fā)展大規(guī)模硅基集成光子技術(shù)與異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)，有望為拓撲物理材料的模擬提供更加有效的解決方案。團隊后期將重點研究可相互作用的光學(xué)拓撲量子芯片，進一步拓展集成光學(xué)、量子光學(xué)與拓撲物理的前沿交叉。