基于简并腔中涡旋光子的量子模拟实验获得成功

[本刊讯] 2022年4月，中国科学技术大学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。该团队将携带不同轨道角动量的光子（又称为涡旋光子）束缚在驻波简并光学谐振腔内，通过引入光子的自旋轨道耦合，人工模拟了一种具有拓扑性质的一维晶格。相关科研成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

人工合成的维度，能等效于实际空间维度，进而压缩实验体系占用的物理空间。维度一般指独立的时空坐标。比如，平面是二维的，描述平面上的位置至少需要两个方向上的坐标，时间则具有一维性，任意举出两个时刻都能比较先后。2015年，中国科学院量子信息重点实验室周正威教授研究组首次提出基于人工合成光子轨道角动量维度实现量子模拟的理论方案。该方案介紹了如何在一维结构中引入人工合成光子轨道角动量维度，以实现对二维物理系统的模拟。涡旋光子是实现人工合成维度的理想选择，它携带的轨道角动量，大小可取某最小单位的任意整数倍且无理论限值。此时，光子轨道角动量的数值对应于晶格的格点坐标，那么，进行量子模拟的晶格，其延展方向不再处于实际的物理空间，而是光子轨道角动量的参数取值空间。换而言之，该晶体并不以实物的形态出现，而是进入了轨道角动量取值构成的空间。

此次实验所模拟的一维晶格本应是一条长链，而该实验团队成功地在一个驻波简并光学谐振腔中进行模拟。驻波简并光学谐振腔的两端各有一面反射镜，光束在腔内来回反射。借助腔内的光学器件，腔内能束缚上千个拥有不同轨道角动量的涡旋光子，它们在腔中平均往返5次。该团队创造性地在腔内装入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角动量的耦合，耦合强度亦可由它调节。腔内光子所携带的轨道角动量是分立的、等间距的，对应于一维晶格的格点位置坐标值。于是，携带不同轨道角动量的光子可以等效为一维晶格中位于不同格点上的准粒子。光子的自旋角动量有2个值，对应着晶格的原胞中含有2个原子的情况。通过自旋自由度将具有不同轨道角动量的光子耦合起来，可用于模拟准粒子在原子间的移动。这就构成了可发生拓扑相变的二聚物晶格苏—施里弗—希格（Su-SchriefferHeeger）模型。有关模拟体系的信息，可通过测量透射强度得到。

该研究在实验上验证了将涡旋光子的角动量作为人工合成维度的可行性。在紧凑的空间中，成功搭建基于人工合成维度的量子模拟实验平台。在物理学中，空间的维度有时会显著影响体系的物理性质。这项工作为具有一定拓扑性质的高维体系模拟打下了实验基础。 （黎仲英）