中國研究團隊首次實現完全可編程拓撲光子晶片

大陸學者將大規模矽基集成光晶片與拓撲光學緊密結合，首次實現可編程的拓撲光子晶片。（圖/ Shutterstock達志影像）

近日北京大學王劍威研究員、胡小永教授、龔旗煌教授課題組與中國科學院微電子研究所楊妍研究員等合作者，將大規模矽基集成光晶片與拓撲光學緊密結合，首次實現了一種完全可編程的拓撲光子晶片。

據《芯智訊》報導，研究人員通過在矽晶片上大規模集成可重構的光學微環腔陣列，首次實現了一種任意可編程的光學弗洛凱人造原子晶格，可獨立且精確調控每個人工原子及原子-原子間耦合（包括其隨機但可控的無序），進而在單一晶片上實現了包括動態拓撲相變、多晶格拓撲絕緣體、統計相關拓撲魯棒性、以及安德森拓撲絕緣體等一系列實驗研究。

該工作拓寬了拓撲光子學邊界，使其首次具備了強可重構與可編程性，爲研究拓撲材料科學、發展拓撲光子技術提供了一種全新途徑。相關研究成果於2024年5月22 日以《可編程拓撲光子晶片》（A programmable topological photonic chip）爲題，發表在了《自然・材料》（Nature Materials）期刊。

據王劍威介紹，因其獨特物理特性，拓撲絕緣體長期以來備受關注。通過構建可控的人工拓撲量子體系，科學家們希望能夠模擬拓撲材料物性，觀察新奇拓撲物理現象，並研製新型拓撲量子器件。常見人工拓撲量子體系包括光學、冷原子、離子與超導等，其可控能力主要體現在所有原子全域可調控、單個原子獨立可調控兩方面，而後者對實驗提出了巨大挑戰。

報導說，北京大學團隊與合作者通過結合大規模矽基集成光學與拓撲光學，已成功研製出一種完全可編程的拓撲光子晶片。這款晶片基於可重構的集成光學微環陣列，並首次成功實現了完全可編程的光學人造原子晶格。

論文審稿的3名國際匿名評審人對本項工作給予高度評價稱：「這項工作證明了集成拓撲光子晶片的全能性，是本領域一項重大技術突破。該拓撲光子晶片代表了本領域最前沿的研究成果，也是迄今爲止最爲全面全能的可編程拓撲光子器件。」

研究團隊表示，多功能且快速可編程的拓撲光子晶片，充分展現了大規模集成光學技術與前沿拓撲材料物理研究的結合，爲先進光子晶片在前沿領域的應用提供了新範式。通過發展大規模矽基集成光子技術與異質異構集成技術，有望爲拓撲物理材料的類比提供更加有效的解決方案。團隊後期將重點研究可相互作用的光學拓撲量子晶片，進一步拓展集成光學、量子光學與拓撲物理的前沿交叉。