中国科大实现基于简并腔内涡旋光子的拓扑量子模拟

来自中国科大的消息显示，中国科大郭光灿院士团队在基于人工合成维度的量子模拟方面取得重要实验进展该团队李传锋，许金时，韩永建等人将携带不同轨道角动量的光子束缚在简并光学谐振腔内，通过引入光子的自旋轨道耦合人工合成了一维的拓扑晶格，为拓扑量子模拟开创了一种新的方法

涡旋光子携带的轨道角动量数目原理上可以无限，是构建人工合成维度的理想载体。

在人工合成维度的量子模拟研究方面，中科院量子信息重点实验室的周正威教授研究组早在2015年就首次理论提出基于人工合成光子轨道角动量维度实现量子模拟的方案李传锋，许金时等人在这一方向上进行了长期的实验探索，先后搭建了基于平面镜，球面镜和椭球面镜的简并光学腔，实现腔内超过46阶轨道角动量模式的谐振

在此基础上，研究组创造性地在驻波简并腔中引入具有各向异性的液晶相位片，实现腔内涡旋光子轨道角动量和光子自旋的耦合腔内光子所携带的轨道角动量是整数分立的，与一维离散晶格相对应因此携带不同轨道角动量的光子可以等效为位于不同晶格格点上的准粒子，并通过自旋自由度将具有不同轨道角动量的光子耦合起来，从而模拟粒子在不同晶格格点之间的来回跃迁

实验装置与理论模型示意图:a. 简并光学谐振腔b. 人工合成光子轨道角动量晶格

其次，研究组利用共振能谱探测技术，直接刻画了该自旋轨道耦合系统的态密度和能带结构，利用该实验装置优异的可调谐性能，清晰展现了周期性驱动系统能带打开和闭合的演化过程，除此之外，还进一步引入不同的演化时序，系统地研究了不同拓扑结构的特性并探测到拓扑绕数。侯建国表示，围绕上述四项要求，中国科学院充分发挥系统化，建设化优势，启动了由丁仲礼院士牵头，百余名院士专家参与的碳中和重大咨询项目，组织实施了应对气候变化，碳预算示范转化型清洁能源，钍基熔盐堆核能系统等重大科技项目，正在谋划制定中科院支持二氧化碳排放峰值碳中和行动方案。

该成果验证了利用涡旋光子固有自旋和轨道角动量作为人工合成维度的可行性，为研究丰富的拓扑物理系统提供了一个高度紧凑的实验平台。。

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