完全可编程的拓扑光子芯片首次实现

  北京大学王剑威研究员、胡小永教授、龚旗煌教授课题组与中国科学院微电子研究所杨妍研究员等合作者，将大规模硅基集成光芯片与拓扑光学紧密结合，首次实现了一种完全可编程的拓扑光子芯片。该芯片为模拟拓扑材料并预测其物理性质，提供了全新硬件平台，可动态模拟包含无序、缺陷和非均匀介质的真实材料体系，为拓扑材料科学研究和拓扑光子技术发展提供了新途径。这一研究成果日前以《可编程拓扑光子芯片》为题在线发表于《自然·材料》。

王剑威介绍，因其独特物理特性，拓扑绝缘体长期以来备受关注。通过构建可控的人工拓扑量子体系，科学家们希望能够模拟拓扑材料物性，观察新奇拓扑物理现象，并研制新型拓扑量子器件。常见人工拓扑量子体系包括光学、冷原子、离子与超导等，其可控能力主要体现在所有原子全局可调控、单个原子独立可调控两方面，而后者对实验提出了巨大挑战。

北京大学团队与合作者通过结合大规模硅基集成光学与拓扑光学，成功研制出一种完全可编程的拓扑光子芯片。这款芯片基于可重构的集成光学微环阵列，在仅11mm×7mm的面积内集成了2712个元件，首次成功实现了完全可编程的光学人造原子晶格。同时，研究人员在单一芯片平台上实现了包括动态拓扑相变、多晶格拓扑绝缘体、统计相关拓扑鲁棒性以及安德森拓扑绝缘体等多种拓扑现象的实验验证。

论文审稿的三名国际匿名评审人对本项工作给予高度评价，并指出：“这项工作证明了集成拓扑光子芯片的全能性，是本领域一项重大技术突破。该拓扑光子芯片代表了本领域最前沿的研究成果，也是迄今为止最为全面全能的可编程拓扑光子器件。”

“多功能且快速可编程的拓扑光子芯片，充分展现了大规模集成光学技术与前沿拓扑材料物理研究的结合，为先进光子芯片在前沿领域的应用提供了新范式。”研究团队表示，通过发展大规模硅基集成光子技术与异质异构集成技术，有望为拓扑物理材料的模拟提供更加有效的解决方案。团队后期将重点研究可相互作用的光学拓扑量子芯片，进一步拓展集成光学、量子光学与拓扑物理的前沿交叉。（记者晋浩天）