基于簡(jiǎn)并腔中渦旋光子的量子模擬實(shí)驗(yàn)獲得成功

[本刊訊] 2022年4月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于人工合成維度的量子模擬方面取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)將攜帶不同軌道角動(dòng)量的光子（又稱(chēng)為渦旋光子）束縛在駐波簡(jiǎn)并光學(xué)諧振腔內(nèi)，通過(guò)引入光子的自旋軌道耦合，人工模擬了一種具有拓?fù)湫再|(zhì)的一維晶格。相關(guān)科研成果發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

人工合成的維度，能等效于實(shí)際空間維度，進(jìn)而壓縮實(shí)驗(yàn)體系占用的物理空間。維度一般指獨(dú)立的時(shí)空坐標(biāo)。比如，平面是二維的，描述平面上的位置至少需要兩個(gè)方向上的坐標(biāo)，時(shí)間則具有一維性，任意舉出兩個(gè)時(shí)刻都能比較先后。2015年，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周正威教授研究組首次提出基于人工合成光子軌道角動(dòng)量維度實(shí)現(xiàn)量子模擬的理論方案。該方案介紹了如何在一維結(jié)構(gòu)中引入人工合成光子軌道角動(dòng)量維度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維物理系統(tǒng)的模擬。渦旋光子是實(shí)現(xiàn)人工合成維度的理想選擇，它攜帶的軌道角動(dòng)量，大小可取某最小單位的任意整數(shù)倍且無(wú)理論限值。此時(shí)，光子軌道角動(dòng)量的數(shù)值對(duì)應(yīng)于晶格的格點(diǎn)坐標(biāo)，那么，進(jìn)行量子模擬的晶格，其延展方向不再處于實(shí)際的物理空間，而是光子軌道角動(dòng)量的參數(shù)取值空間。換而言之，該晶體并不以實(shí)物的形態(tài)出現(xiàn)，而是進(jìn)入了軌道角動(dòng)量取值構(gòu)成的空間。

此次實(shí)驗(yàn)所模擬的一維晶格本應(yīng)是一條長(zhǎng)鏈，而該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成功地在一個(gè)駐波簡(jiǎn)并光學(xué)諧振腔中進(jìn)行模擬。駐波簡(jiǎn)并光學(xué)諧振腔的兩端各有一面反射鏡，光束在腔內(nèi)來(lái)回反射。借助腔內(nèi)的光學(xué)器件，腔內(nèi)能束縛上千個(gè)擁有不同軌道角動(dòng)量的渦旋光子，它們?cè)谇恢衅骄?次。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地在腔內(nèi)裝入各向異性的液晶相位片，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動(dòng)量和光子自旋角動(dòng)量的耦合，耦合強(qiáng)度亦可由它調(diào)節(jié)。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動(dòng)量是分立的、等間距的，對(duì)應(yīng)于一維晶格的格點(diǎn)位置坐標(biāo)值。于是，攜帶不同軌道角動(dòng)量的光子可以等效為一維晶格中位于不同格點(diǎn)上的準(zhǔn)粒子。光子的自旋角動(dòng)量有2個(gè)值，對(duì)應(yīng)著晶格的原胞中含有2個(gè)原子的情況。通過(guò)自旋自由度將具有不同軌道角動(dòng)量的光子耦合起來(lái)，可用于模擬準(zhǔn)粒子在原子間的移動(dòng)。這就構(gòu)成了可發(fā)生拓?fù)湎嘧兊亩畚锞Ц裉K—施里弗—希格（Su-SchriefferHeeger）模型。有關(guān)模擬體系的信息，可通過(guò)測(cè)量透射強(qiáng)度得到。

該研究在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了將渦旋光子的角動(dòng)量作為人工合成維度的可行性。在緊湊的空間中，成功搭建基于人工合成維度的量子模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在物理學(xué)中，空間的維度有時(shí)會(huì)顯著影響體系的物理性質(zhì)。這項(xiàng)工作為具有一定拓?fù)湫再|(zhì)的高維體系模擬打下了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 （黎仲英）