我校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在量子模拟方面取得重要进展。该实验室周正威、周祥发等提出了一种只需要单个简并腔就可以模拟重要拓扑物理机制的新方案，从而大大简化了在光学谐振腔系统中仿真拓扑现象的物理需求。相关研究成果2月22日发表在《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 118, 083603 (2017)]。

 

　　拓扑物理是当前凝聚态理论和实验研究的热点，对该现象的研究不仅仅是物理学内在的追求，也为新的功能化材料和器件的研究提供了契机。然而，当前对拓扑现象的研究目前主要集中材料系统中。寻找新的物理平台，从而更高效地模拟和调控这一重要物理机制，对探索其中的物理和开发新的应用等均有着不可估量的作用。在此之前，周正威研究组曾提出一种在简并腔阵列系统中，通过调控光子的角动量自由度，实现在人工维度中模拟光子的拓扑物质的新方案（Nat. Commun. 6,7704 (2015)）。

 

　　周正威等研究人员在之前工作的基础上，提出了一种更为简化的模拟和调控拓扑物质的方案。通过重新改造简并腔的设计，使得光腔内的光子角动量模式具有一定的复合结构；再利用光子在空间模式的差别，实现了在人工维度中构造出等效的物理边界。通过这样的改造后，所有关于体系的重要拓扑物理现象，均可以从该系统的边界态上反应出来，进而可以通过光信号读取。

 

　　该方案的显著优点是将拓扑物理的模拟和调控，简化了到单个光学腔中实现，从而大大降低了实验的难度。此外，考虑到单个光腔系统在操控上方便性，该系统还可以用来研究拓扑态的动力学特征。当前，对动力学系统中的拓扑效应研究，还有许多问题有待解决。该方案也为研究这一机制提供非常简洁的物理平台设计。

 

单个简并光腔模拟一维模型的示意图

（a）可以容纳复合模式的简并光腔示意图 ；（b）光学轨道角动量模式在（a）中的蓝色分束器截面处的强度分布； （c）改造后的单个简并腔可以等效为一个有着陡峭边界的一维系统。

 

　　中科院量子信息重点实验室周祥发副研究员为文章的第一作者，这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

 

（中科院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部）

 

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