En anomal Floquet topologisk isolator (AFTI) är en periodiskt driven topologisk isolator (TI med lindningstal som inte är noll för att stödja topologiska kantlägen, även om dess standardtopologiska invarianter som Chern-tal är noll.
Det fotoniska gittret konstruerat av en optisk vågledaruppsättning tillverkad av femtosekund laser direktskrivning (FLDW) är en viktig plattform för kvantsimulering för att realisera fotoniska AFTI, eftersom FLDW erbjuder flexibel design av äkta tredimensionella (3D) vågledarstrukturer och exakt kontroll av varje koppling mellan vågledare. Dessutom kan evolutionsavståndet för gittret kartläggas som evolutionstid.
I femtosekund-laser-direktskrivna fotoniska AFTIs, definieras selektiv koppling av intilliggande vågledare i en cykel explicit av det diskreta periodiska drivprotokollet. Vid det fullständiga överföringsdiskreta körprotokollet existerar kirala kantlägen med dispensionslösa bulklägen, och gitterenergiöverföringseffektiviteten för det kirala kantläget är den högsta bland alla TI:er (nära 100%), så det är mycket lämpligt för transport av ömtåliga kvanttillstånd.
Men de flesta fotoniska AFTI:er stöder vanligtvis bara en typ av kiralt kantläge även vid en stor gitterstorlek, som bara uppvisar en kiralitet och bara fortplantar sig längs de yttre gränserna av gitter, vilket inte kan uppfylla kravet på skalbarhet för multi-state topologiskt kvantsystem och den storskaliga optiska kvantberäkningen. Hur man ökar typen och antalet kirala kantlägen i ett enda fotoniskt gitter är en utmaning.
Nyligen i en artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av professor Yan Li och professor Qihuang Gong från State Key Laboratory for Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University, Kina, och medarbetare introducerade fraktalen i fotoniska AFTIs och har visat den första experimentell realisering av fraktala fotoniska AFTI i glas med hjälp av FLDW-tekniken.
Gitterplatserna är arrangerade enligt andra generationens (G(2)) struktur med dubbla Sierpinski-mattor (DSC), vars Hausdorff-dimension är 1,89D. Kopplingen mellan intilliggande vågledare är konfigurerad enligt det fullständiga överföringsdiskreta körprotokollet:i varje steg slås endast en typ av koppling på när två vågledare närmar sig nära för att bilda en horisontell eller vertikal riktningskopplare (DC) och de andra tre är avstängda , och den teoretiska överföringsförmågan för varje DC är satt till 100%.
De individuella kopplingarna garanteras av den specialdesignade 3D-vågledarstrukturen baserad på DC, helt annorlunda från de tidigare fraktala gittren konstruerade av identiska raka vågledare eller spiralformade vågledare. I de tillverkade enperiods fraktala AFTI-proverna är antalet DC:er upp till 88, men mindre än det i ett komplett gitter.
Det kan hittas i kvasienergispektrumet för DSC-gittret vid G(2), fraktalgittret behåller det kirala ytterkantsläget i det ursprungliga normala gittret och genererar två kirala innerkantslägen IEA och IEB, som har motsatt kiralitet med ytterkantsläget och fortplantar sig längs gittrets inre gränser. Fractal AFTI med färre vågledare stöder 4 typer av lägen:17 yttre kantlägen, 7 innerkantlägen IEA, 24 innerkantlägen IEB och 16 bulklägen. Således ökar antalet kirala kantmoder som bärs av ett enda gitter kraftigt till 48.
Genom excitation på en plats av laser, även om det finns avvikelser i kopplingshållfastheten i det tillverkade provet, stämmer de uppmätta modöverföringsbeteendena för kirala kantlägen väl överens med de teoretiska simuleringsresultaten, vilket indikerar robustheten hos det kirala kantläget.
Dessutom, när det exciterade ljuset är ett par korrelerade fotoner, är det genererade kirala ytterkanttillståndet för en foton och det inre kanttillståndet topologiskt skyddade i modfördelning och kvantkorrelation under kvanttillståndstransporten i gittret. De observerade kvantinterferenserna med hög synlighet verifierar att flera fortplantande enfotonkirala kanttillstånd är mycket omöjliga att särskilja, vilket ger potentialen för att generera topologiskt skyddade intrasslingsresurser och utföra kvantlogiska operationer.
"Med tillväxten av fraktala generationer ökar typen och antalet kirala kantlägen i ett enda gitter avsevärt. När de injicerade fotonerna är multifotoner, eller fotoner i superpositionstillstånd eller intrasslade tillstånd, kvantinformationskapaciteten hos en enda fraktal fotonik gittret kan utökas ytterligare", tillade forskarna.
"Fraktal fotonisk AFTI kan samtidigt bära flera topologiskt skyddade kvantkirala kanttillstånd, så att de kan fungera som en stabil bärare för överföring av kvantinformation med hög kapacitet. Det förväntas att de kan användas i skalbar multi-foton topologisk kvantberäkning och kvantsimulering av multipartikelsystem Förutom Sierpinski-mattan och Sierpinski-packningen kan detta sträcka sig till många andra fraktala strukturer, vilket kan bredda fältet för fraktala fotoniska TI, säger forskarna.
Mer information: Meng Li et al, Fractal photonic anomalous Floquet topologiska isolatorer för att generera flera kvantkirala kanttillstånd, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01307-y
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
