美国马里兰大学研究新型拓扑结构优化光子传输

　　用于量子模拟和量子传感的量子光学器件，都必须依赖于单光子的可靠传输。每一个光子的传输都很重要，所以尽量减少甚至避免光子发生偏转是至关重要的。美国马里兰大学联合量子研究所（JQI）的研究人员最近展示了一种光子芯片，它能够产生并控制单光子，确保光子即使在任意弯曲的传输通路中也不会产生丢失。

图片来源：美国马里兰大学联合量子研究所

　　借助拓扑序列

　　联合量子研究所的研究团队展示的芯片是一个砷化镓光子晶体，内嵌砷化铟量子点充当发射器。光子晶体可通过改变其结构中孔的大小、图案以及分布以形成导管来传输和控制光。然而，晶体结构中的任何缺陷都会改变光的预期路径。

　　研究人员已经克服了这一难题，他们并非通过创造无瑕疵的晶体结构，而是通过改变晶体的拓扑结构，或孔的形状和图案来实现的。研究人员构建了两个由间距不等的三角形孔组成的晶格，因此这种晶体具有不同的带隙。

　　带隙重叠的两个结构之间的边界能够在沿着边界表面传播的螺旋边缘模式中捕获由量子点发射的光子。当研究人员在器件中心照射泵浦激光时，实验证实了发射的光线在初始直线界面的左侧和右侧边缘都存在。

　　单向传输

　　其后，研究人员通过施加磁场迫使量子点在两个相反的圆极化状态下发射单光子。具有其中一种偏振状态的光子与拓扑螺旋边缘模式耦合，并且在界面的右边缘处被收集，而具有相反偏振状态的光子在另一个方向上传播。因此界面可以作为偏振光的单向传输通道。

　　在晶体结构中引入60度的弯曲后，团队进行了相同的实验，相同的结果证明该结构可以最大限度地减少光子在传输过程中产生的偏转。如果光子在弯曲处被散射或反射，那么研究人员将在弯曲后的边缘处测量到偏振光子减少，并且在另一个边缘处检测到反射偏振光子。然而，实验证实光子仍然与螺旋边缘模式耦合，这表明它们沿着与引入弯曲之前相同的路径继续传播。

　　保护传输环境

　　联合量子研究所研究员、该研究的主要参与者之一Mohammad Hafezi表示：“该设计融合了多种想法，正是为了保护某些电子设备中的电流流动。在实验中，我们为光子创造了一个类似的环境，即使晶体中存在某些缺陷，也能够保护传输过程中量子光的完整性。”

　　研究人员表示，由于孔的布置灵活，他们的实验结果能够实现光子路径和新型光学器件的系统组装，从而便于量子发射器与其他物质之间产生相互作用。