首個(gè)軌道角動(dòng)量波導(dǎo)光子芯片問(wèn)世

據(jù)美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)研制出了全球首個(gè)軌道角動(dòng)量(OAM)波導(dǎo)光子芯片。這是首次在光芯片內(nèi)制備出可攜帶光子OAM自由度的光波導(dǎo)，并實(shí)現(xiàn)光子OAM在波導(dǎo)內(nèi)高效和高保真地傳輸。最新研究作為亮點(diǎn)文章在網(wǎng)站首頁(yè)被重點(diǎn)推薦，有望在光通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域“大顯身手”。

近年來(lái)，由于扭曲光(twisted light)具有“甜甜圈”分布的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、螺旋型波陣面的位相結(jié)構(gòu)、攜帶OAM的動(dòng)態(tài)特性，被廣泛用于光操縱、光鉗等領(lǐng)域。不同于光的自旋角動(dòng)量，OAM擁有無(wú)限的拓?fù)浜珊蛢?nèi)在正交性，可用于解決通信系統(tǒng)信道容量緊縮的問(wèn)題。而在量子信息等領(lǐng)域，光子OAM可用于分發(fā)高維量子態(tài)以及構(gòu)建高維量子計(jì)算機(jī)。

但大規(guī)模應(yīng)用OAM需要將其傳輸、產(chǎn)生及操縱一體化，而此前的研究均無(wú)法讓OAM存在于芯片內(nèi)部。

在最新研究中，金賢敏團(tuán)隊(duì)通過(guò)飛秒激光直寫技術(shù)，制備了首個(gè)波導(dǎo)橫截面為“甜甜圈”型的三維集成OAM波導(dǎo)光子芯片。通過(guò)測(cè)量從芯片出來(lái)的扭曲光與參考光的干涉，以及對(duì)芯片前后的態(tài)進(jìn)行投影測(cè)量，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此波導(dǎo)可高效高保真地傳輸?shù)碗AOAM模式，傳輸總效率達(dá)60%;且該波導(dǎo)會(huì)將高階模式轉(zhuǎn)化為低階模式。此外，該波導(dǎo)也可高保真地傳輸三比特的“高維量子比特(qutrit)”態(tài)，超越傳統(tǒng)兩比特的“量子比特(qubit)”態(tài)，表明此波導(dǎo)有潛力用于高維量子態(tài)的傳輸與操控。

金賢敏希望該芯片首先能用于高通量光通信領(lǐng)域;而英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)光操控專家基山·多拉基亞認(rèn)為，新芯片有望為量子光學(xué)和成像等領(lǐng)域開(kāi)辟新天地。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)已為該波導(dǎo)芯片向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)了發(fā)明專利。