Advanced Materials:保护量子–准晶中量子拓扑边界态

拓扑光子学从凝聚态物理中发展而来,最初的目的是对光子传输进行拓扑保护,使其免受由于加工导致的晶格散射以及结构无序影响。拓扑相作为材料以及人造结构一项重要性质,近年来被广泛研究,众多研究都表明拓扑相具有保护物理场的能力。然而,这种拓扑相的保护能力是否可以被推广到量子领域并用来保护量子性质呢?如果这种能力被证实,这将是在量子纠错和拓扑量子计算两个方法之外找到另外一条用以保护量子性质可选的道路。

上海交通大学物理与天文学院金贤敏课题组利用三维激光直写技术构建了具有拓扑边界态的准晶晶格。如概念图所示,将光子从边界注入晶格中将会激发准晶受拓扑保护的边界态,如果从中间注入光子,则只能激发准晶的平庸体态。完美的单光子在准晶的边界态中能够很好的保持自身量子性质,而在体态中的单光子则会受扩散影响不能保持自己良好的量子性质。研究团队为了进一步验证这种量子保护能力在实际应用中的表现,将实验装置至于噪音光下,并逐步增加噪音光源的亮度。实验结果表明相比于体态中的光子,边界态中的单光子在噪音环境下始终能够保持相对较好的量子性质。随着噪音水平的增加,研究团队展示了这种保护能力的最大潜能。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905624)上。

该工作与近期的工作一同将拓扑相的保护机制推广到量子领域用来直接保护量子性质,这标志着一种新的保护量子性质方法的实现。研究团队在文中展望了正在兴起的量子拓扑光子学这一全新研究方向,这是拓扑物理与量子信息的交叉,近期国际上多个小组在该方向有重要突破。金贤敏课题组是最早开展相关研究的团队之一,近期也完成了系列研究工作,除了该工作之外,还包括量子关联[Optica, 6, 955-960 (2019)]以及量子纠缠[arXiv:1903.03015 (2019)]的拓扑保护,为进行拓扑量子模拟和量子计算提供了新的方向。

最近一期美国《科学》(Science)杂志以“Protecting the quantum”为题报道了研究团队的量子关联拓扑保护的研究成果。《科学》杂志高级主编Ian Osborne撰文指出,单光子因为具有鲁棒性、高带宽、以及能远距离传输等特点,是理想的量子信息载体。然而,对于芯片化应用,光子不可避免与环境媒体相互作用从而导致损耗。这一现象不仅导致光子间的非经典关联消失,可能对脆弱的纠缠光子影响更大。研究团队展示了拓扑可以用来保护光子免受耗散和无序的影响,并实验演示了集成光子芯片上的光子间量子关联的拓扑保护。