吉林大學研究團隊在集成光子芯片領域取得重要進展

　　日前，吉林大學電子科學與工程學院超快光電技術研究團隊在集成光子芯片領域取得重要進展，該研究成果以“Non-Abelian braiding on photonic chips”為題在線發表于《自然·光子學》（Nature Photonics (2022), doi.org/10.1038/s41566-022-00976-2）。

　　 飛秒激光直寫技術是一種將脈沖激光光束聚焦于材料表面或內部，通過激光焦點與材料的非線性相互作用，引起材料性質改變的微納加工技術。得益于其獨特的加工方式，飛秒激光直寫技術可以實現任意三維形狀結構的加工制備，這給片上三維光子集成提供了可能。然而，當前成熟的片上光子器件的設計原理大多是面向二維芯片，面向第三個空間維度的研究仍然十分缺乏。將片上光子集成推廣到三維，除了可以在物理空間上為提高器件的集成度提供直接解決方案，更可以提供新的物理自由度用于設計新型片上光子操控手段。

圖.光子芯片上多個光子態的非阿貝爾編織實驗

　　 針對飛秒激光直寫三維光子芯片的巨大應用潛力，研究團隊提出并在芯片上成功驗證了一種新型三維光子集成與操控機制??非阿貝爾編織機制，用于實現片上光量子邏輯等應用。非阿貝爾編織的概念最早在凝聚態領域被提出，用于實現受拓撲保護的量子計算。非阿貝爾編織本質上是實現一個幺正矩陣變換，因此可以利用光學體系中的貝里幾何相位矩陣來實現這一操作。

　　 沿著這一思路，研究團隊在光子芯片上成功實現了多達五個光子模式的非阿貝爾編織現象，通過激光實驗和單光子實驗分別驗證了非阿貝爾編織的重要特性---編織結果依賴于編織順序，并通過巧妙的干涉實驗提取了非阿貝爾規范勢引起的貝里相位矩陣。該編織機制具有非常好的可拓展性，通過拓展編織模式的個數和編織步驟可以構造豐富的貝里相位矩陣，面向片上光量子邏輯等應用。未來通過拓展非阿貝爾編織機制到其它光學系統中，利用貝里相位矩陣作為新的自由度，將為研究者們提供更多的手段來操控光子。

　　 上述研究成果的第一完成單位為吉林大學。論文的共同第一作者為張旭霖副教授和博士生余峰，共同通訊作者為張旭霖副教授、田振男副教授以及清華大學的孫洪波教授和香港浸會大學的馬冠聰教授。本工作得到了國家自然科學基金的資助。