中國科大郭光燦團隊： 基于人工維度全光器件設計方面取得進展

【成果簡介】

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在基于人工維度的全光器件的設計方面取得新進展。該實驗室教授周正威小組在理論上提出通過調控簡并光腔中的軌道角動量光子可以實現全光量子存儲器和濾波器，這為光學人工維度的應用開創了一條新的道路。主要研究成果于7月14日發表在國際學術期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1?全光器件的設計原理示意圖

a）傳統的全光器件是基于光子在真實空間中的傳播和干涉，需精密地調控大量光學器件

b）利用光子在人工維度上的傳播和干涉來設計新型的全光器件

圖2?基于退化腔系統的全光器件

（a）主（紅色）和輔助（棕色）空腔通過一對分束器（BS）耦合，兩個空腔均退化

（b）輸入/輸出端口為中心處的針孔，用于耦合l = 0模式進出

【研究內容】

全光器件在傳統的光通訊、量子信息等領域非常重要，但全光器件的設計是基于光子在真實空間中的傳播和干涉，它需要對大量的光學元件進行精確地控制，從而導致精密而復雜的全光器件非常難以實現。周正威等人提出了一種全新的設計全光器件的思路——即：通過調控光子的內部自由度來實現器件的設計。他們將光子的軌道角動量自由度映射為人造維度上的一個個空間格點，通過巧妙地設計這些人造維度中格點的躍遷，從而等效了光子在真實空間維度上的傳播。于是，通過調控光子在人工維度上的行為，最終即可實現全光器件的功能。利用這一思路，可以大大簡化全光器件設計上的難度，在此基礎上，他們提出在這個系統中如何設計實現全光的量子存儲器和光學濾波器。

這個設計的巧妙之處在于，所有的這些光子軌道角動量模式（用以映射人工維度上的空間格點）都可以包含在一個能量簡并的光腔中，通過附加簡單的光路，即可實現這些簡并模式之間的躍遷。這一利用光子內部自由度來映射人工維度的思想，最早亦為周正威等人提出，他們發表理論文章，提議可以用來模擬建立于人工維度上的具有拓撲性質的光子晶體（Nat. Commun.?6, Article?Number?7704 (2015)）以及周期驅動下的拓撲材料的性質（Phys. Rev. Lett.?118, 083603 (2017)）。而當前的這一工作，則是首次提出利用光學人工維度上的調控來實現全光器件的設計。

目前，中科院量子信息重點實驗室的李傳鋒組正在開展這個全新方向上的實驗工作，他們已經初步制備成功包含這些簡并的光學軌道角動量模式的光腔（Opt. Lett.?42, 2042 (2017)）。

中科院量子信息重點實驗室博士羅希望為文章的第一作者，周正威、周幸祥為文章的通訊作者。這項工作得到國家基金委、中科院、科技部、教育部的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170720_4609260.shtml

文獻鏈接：Synthetic-lattice enabled all-optical devices based on orbital angular momentum of light（Nat. Commun.,2017,DOI：10.1038/ncomms16097）

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