吉林大学研究团队在集成光子芯片领域取得重要进展

　　日前，吉林大学电子科学与工程学院超快光电技术研究团队在集成光子芯片领域取得重要进展，该研究成果以“Non-Abelian braiding on photonic chips”为题在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics (2022), doi.org/10.1038/s41566-022-00976-2）。

　　 飞秒激光直写技术是一种将脉冲激光光束聚焦于材料表面或内部，通过激光焦点与材料的非线性相互作用，引起材料性质改变的微纳加工技术。得益于其独特的加工方式，飞秒激光直写技术可以实现任意三维形状结构的加工制备，这给片上三维光子集成提供了可能。然而，当前成熟的片上光子器件的设计原理大多是面向二维芯片，面向第三个空间维度的研究仍然十分缺乏。将片上光子集成推广到三维，除了可以在物理空间上为提高器件的集成度提供直接解决方案，更可以提供新的物理自由度用于设计新型片上光子操控手段。

图.光子芯片上多个光子态的非阿贝尔编织实验

　　 针对飞秒激光直写三维光子芯片的巨大应用潜力，研究团队提出并在芯片上成功验证了一种新型三维光子集成与操控机制−−非阿贝尔编织机制，用于实现片上光量子逻辑等应用。非阿贝尔编织的概念最早在凝聚态领域被提出，用于实现受拓扑保护的量子计算。非阿贝尔编织本质上是实现一个幺正矩阵变换，因此可以利用光学体系中的贝里几何相位矩阵来实现这一操作。

　　 沿着这一思路，研究团队在光子芯片上成功实现了多达五个光子模式的非阿贝尔编织现象，通过激光实验和单光子实验分别验证了非阿贝尔编织的重要特性---编织结果依赖于编织顺序，并通过巧妙的干涉实验提取了非阿贝尔规范势引起的贝里相位矩阵。该编织机制具有非常好的可拓展性，通过拓展编织模式的个数和编织步骤可以构造丰富的贝里相位矩阵，面向片上光量子逻辑等应用。未来通过拓展非阿贝尔编织机制到其它光学系统中，利用贝里相位矩阵作为新的自由度，将为研究者们提供更多的手段来操控光子。

　　 上述研究成果的第一完成单位为吉林大学。论文的共同第一作者为张旭霖副教授和博士生余峰，共同通讯作者为张旭霖副教授、田振男副教授以及清华大学的孙洪波教授和香港浸会大学的马冠聪教授。本工作得到了国家自然科学基金的资助。