近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在基于人工合成維度的量子模擬方面取得重要實驗進展，實現(xiàn)了基于簡并腔中渦旋光子的拓撲量子模擬，為拓撲量子模擬開創(chuàng)新方法。

實驗裝置與理論模型示意圖，a為簡并光學(xué)諧振腔，b為人工合成光子軌道角動量晶格，圖片來自中科大

維度是決定宇宙中物質(zhì)特性的一個重要物理量。但在科學(xué)研究中，由于三維物理世界的限制，人們往往難以研究三維以上的物理系統(tǒng)性質(zhì)及演化特性。針對這一難題，科學(xué)家提出可以通過人工合成維度的方式來解決。例如，在一個三維系統(tǒng)中引入兩個人工合成維度，就可以在該系統(tǒng)上研究五維的物理性質(zhì)。

渦旋光子作為攜帶不同軌道角動量的光子，其攜帶的軌道角動量數(shù)目原理上可以無限，因此它是構(gòu)建人工合成維度的理想載體。早在2015年，中科院量子信息重點實驗室周正威教授研究組就首次理論提出，基于人工合成光子軌道角動量維度實現(xiàn)量子模擬的方案。中科大郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人在這一方向進行了長期實驗探索，先后搭建了基于平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡并光學(xué)腔，實現(xiàn)腔內(nèi)超過46階軌道角動量模式的諧振。

此次，中科大郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、韓永建等人，將渦旋光子束縛在簡并光學(xué)諧振腔內(nèi)，通過引入光子的自旋軌道耦合人工合成了一維的拓撲晶格，為拓撲量子模擬開創(chuàng)了一種新的方法。研究成果于4月19日發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。

圖片來自《自然·通訊》(Nature Communications)

在此基礎(chǔ)上，團隊創(chuàng)造性地在駐波簡并腔中引入具有各向異性的液晶相位片，實現(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動量和光子自旋（即偏振）的耦合。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動量是整數(shù)分立的，與一維離散晶格相對應(yīng)。因此，攜帶不同軌道角動量的光子可以等效為位于不同晶格格點上的準粒子，并通過自旋自由度將具有不同軌道角動量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點之間的來回躍遷。

利用共振能譜探測技術(shù)，團隊直接刻畫了前述自旋軌道耦合系統(tǒng)的態(tài)密度(DOS)和能帶結(jié)構(gòu)。此外，團隊利用實驗裝置優(yōu)異的可調(diào)諧性能，清晰展現(xiàn)了周期性驅(qū)動系統(tǒng)能帶打開和閉合的演化過程，并進一步引入不同的演化時序，系統(tǒng)研究了不同拓撲結(jié)構(gòu)的特性并探測到拓撲繞數(shù)。

前述研究驗證了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓撲物理系統(tǒng)提供了一個高度緊湊的實驗平臺。

論文共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生楊木，以及碩士研究生張昊清、廖昱瑋。前述研究獲得科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省的支持。