科研進展

量子拓撲光子學進展:雙光子量子關聯的拓撲保護

7月25日,国际光学权威期刊《Optica》以“Topological Protection of Two-photon Quantum Correlation on a Photonic Chip”为题发表了上海交通大学物理与天文学院金贤敏团队最新研究成果:实验展示了拓扑边界态对双光子量子关联的保护。Optica是美国光学学会(The Optical Society of America,OSA)旗下最高影响因子期刊(9.2)。研究团队实验发现双光子的量子关联性质在拓扑边界态中比在体态中得到了更好的保护。而且无论两个光子是否可分辨,这种保护都不受影响。

 

光子在邊界態(a)和體態(c)的演化行爲,(b)爲晶格色散關系

相比于单光子的性质,双光子量子关联更能体现出非经典的关联并提供计算的优势。例如两粒子的量子行走可以作为算法工具用来解决图同构问题(graph isomorphism problem), 并且多粒子量子行走更是可以实现通用量子计算。但是退相干现象会让粒子间的量子关联退化,这使得保持这种非经典性质成为构建多粒子量子计算的关键。

拓扑光子学从凝聚态物理中发展而来,最初的目的是对光子进行拓扑保护,使其免受由于加工导致的晶格散射以及无序影响。众多研究都表明拓扑相具有保护物理场的能力。受此启发,研究团队认为这种拓扑相的保护能力或许可以被推广到量子领域并用来保护量子关联,这可以在量子纠错(quantum error correction)和拓扑量子计算(topological quantum computing)两个方法之外为保护量子关联找到另外一条可选的道路。

研究團隊利用三維激光直寫技術構建了具有拓撲邊界態的准晶晶格,將量子關聯的兩個光子從邊界和晶格中心注入分別激發邊界態和體態。在邊界態中光子保持了較好的局域性,而在體態中光子則彌散在波導陣列中。通過在波導陣列的末端測量發現,在邊界態中的兩個光子間的量子關聯還保持在很高的水平,基本和注入之前的值保持在同一水平。與此對應的是,在體態中的雙光子量子關聯則發生了明顯的下降。柯西施瓦不等式作爲區分經典行爲的判定標准,當量子關聯存在時,柯西施瓦不等式將會被打破。研究團隊觀察到邊界態中的雙光子關聯很好地破壞了柯西施瓦不等式,而體態中的雙光子關聯卻不能很明顯的破壞。

實驗測量得到的雙光子互關聯值

研究團隊調整雙光子性質進一步驗證該結果是否受光子的可區分性影響。研究團隊調整光源性質,使量子關聯的兩個光子的波長發生錯位,此時得到的是波長明顯不同的兩個量子關聯光子,這兩個光子是明顯可區分的。實驗結果表明雙光子的量子關聯在邊界態中依舊得到了很好的保護,而在體態中依舊受到較大的破壞。

具有不同波長的關聯光子的實驗結果

研究團隊進一步選了完全不可區分的兩個光子作爲源進一步驗證。首先兩個光子的不可區分性質被Hong-Ou-Mandel幹涉現象所驗證,隨後將該量子關聯的不可區分雙光子注入到晶格中。由于光子的不可區分性,研究團隊在體態和邊界態中都觀察到了一個明顯量子聚束的效應,該效應並不會對上述的拓撲保護産生影響。至此,研究團隊完整的證明了拓撲邊界態對雙光子的量子關聯的保護,而且這種保護不受光子性質的影響。

量子關聯的不可區分雙光子的實驗結果

該工作與近期的工作一同將拓撲相的保護機制推廣到量子領域用來直接保護量子關聯,這標志著這是一個新的保護量子性質的方法。與此同時,研究團隊還在文中展望了正在興起的量子拓撲光子學這一全新研究方向,這是拓撲物理與量子信息的交叉,近期國際上多個小組在該方向有重要突破。該團隊近期也完成了一系列研究工作,包括單光子態以及量子糾纏的拓撲保護,爲進行拓撲量子模擬和量子計算提供了新的方向。

研究团队感谢上海市科委重大項目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭,感谢科技部重点研发计划、上海市教委等的大力支持。

論文鏈接:

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-8-955