光子拓撲零模式下編織的首次演示

2020-10-10 工程學習

用光執行編織過程的結構的示意圖。（a）波導陣列結構，其中光沿兩個陣列的相反方向編織，然後受到幹涉；（b）示出執行編織操作所需的波導陣列坐標的位移的圖，其中，\ alpha表示圍繞陣列編織的「無窮大渦旋」的角度。圖片來源：Noh等。

物理學理論表明，外來激發可以局限在拓撲缺陷附近的束縛態形式存在，例如，在馬約拉納邦零模被困在拓撲超導材料內的旋渦中的情況。更好地了解這些狀態可以幫助開發包括量子技術在內的新計算工具。

在過去的幾年中，一種引起人們關注的現象是「編織」，當特定狀態的電子（即馬約拉那費米子）相互編織時，就會發生這種現象。一些物理學家認為，這種現象可以促進新型量子技術的發展，即拓撲量子計算機。

賓夕法尼亞州立大學，加利福尼亞大學伯克利分校，愛荷華州立大學，匹茲堡大學和波士頓大學的研究人員最近測試了這樣的假說，即編織也發生在電子以外的粒子中，例如光子（即光粒子）。在發表於《自然物理學》上的一篇論文中，他們提出了使用光子拓撲零模進行編織的第一個實驗演示。

進行這項研究的研究人員之一Mikael C. Rechtsman對Phys.org表示：「這個想法是受到建造量子計算機的著名體系結構的啟發；該體系結構在理論上已經被預測，但從未在實驗上實現。」 「為了在這種先前理論化的類型的量子計算機中執行操作，馬約拉那費米子彼此之間移動，這稱為編織。在先前的理論研究中，我的一些同事預測編織是一種普遍現象，不僅可以應用於電子，但也包括光子。在我們的新論文中，我們使用類似於光纖電纜的波導陣列，通過實驗證明了這一點。」

Rechtsman和他的同事通過進行一項實驗來測量編織現象的幾何相位，在該實驗中，兩種不同的編織過程相互幹擾。在這些過程之一中，拓撲缺陷是順時針編織的，而在另一過程中，它們是逆時針編織的。

幹擾是波浪力學的一項功能，通常用於研究物理系統。此功能可導致無數與波浪相關的現象，從肥皂泡上的彩虹漩渦到重力波。

「我們觀察到來自兩個相反的編織過程的光發生了破壞性幹涉，這證實了我們的理論預測，即該過程具有一個相對的pi編織階段，」參與這項研究的另一位研究員Thomas Schuster告訴Phys.org。「至關重要的是，由於編織的動作非常簡單，我們收集的測量值使我們可以推斷出任何編織過程的行為。特別是，它可以驗證在連續執行多個編織時，編織的順序很重要。」

Rechtsman，Schuster及其同事證明了普遍存在的編織過程的存在，他們將其稱為非阿貝爾編織，這是研究人員多年來在電子系統中尋求的功能的簡單體現。他們的結果表明，編織實際上可能是一種超越電子的普遍現象，並且還適用於光，聲，水甚至地震波。

除了強調使用光子晶格作為研究拓撲缺陷及其編織的平臺的可能性之外，本研究還可以激發其他研究團隊在涉及波產生的其他現象的背景下檢查編織。Rechtsman，Schuster及其同事現在計劃繼續研究光子拓撲零模的編織以及其他也可以應用於與光相關的系統的拓撲現象。

Rechtsman說：「編織是傳統上與電子設備相關的一種拓撲現象。」 「我們現在希望表明，一整套拓撲現象不僅可能對電子設備有用，而且對雷射，醫學成像設備，電信系統等光子設備也可能有用。我們還希望這種新型的拓撲物理學可以應用於量子信息系統，特別是那些基於光子的系統。」

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