波導光子晶片有望在光通信和量子計算等領域「大顯身手」

2020-11-25 石獅日報

科技日報北京12月12日電 (記者劉霞)據美國《物理評論快報》網站近日報導,上海交通大學金賢敏團隊研製出了全球首個軌道角動量(OAM)波導光子晶片。這是首次在光晶片內製備出可攜帶光子OAM自由度的光波導,並實現光子OAM在波導內高效和高保真地傳輸。最新研究作為亮點文章在網站首頁被重點推薦,有望在光通信和量子計算等領域「大顯身手」。

近年來,由於扭曲光(twisted light)具有「甜甜圈」分布的強度結構、螺旋型波陣面的位相結構、攜帶OAM的動態特性,被廣泛用於光操縱、光鉗等領域。不同於光的自旋角動量,OAM擁有無限的拓撲荷和內在正交性,可用於解決通信系統信道容量緊縮的問題。而在量子信息等領域,光子OAM可用於分發高維量子態以及構建高維量子計算機。

但大規模應用OAM需要將其傳輸、產生及操縱一體化,而此前的研究均無法讓OAM存在於晶片內部。

在最新研究中,金賢敏團隊通過飛秒雷射直寫技術,製備了首個波導橫截面為「甜甜圈」型的三維集成OAM波導光子晶片。通過測量從晶片出來的扭曲光與參考光的幹涉,以及對晶片前後的態進行投影測量,實驗證實,此波導可高效高保真地傳輸低階OAM模式,傳輸總效率達60%;且該波導會將高階模式轉化為低階模式。此外,該波導也可高保真地傳輸三比特的「高維量子比特(qutrit)」態,超越傳統兩比特的「量子比特(qubit)」態,表明此波導有潛力用於高維量子態的傳輸與操控。

金賢敏希望該晶片首先能用於高通量光通信領域;而英國聖安德魯斯大學光操控專家基山·多拉基亞認為,新晶片有望為量子光學和成像等領域開闢新天地。據悉,該團隊已為該波導晶片向國家知識產權局申請了發明專利。

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