拓撲光子學由于具有魯棒性的能量輸運性質(zhì)，在光子芯片研究方向具有實用化的應用前景。產(chǎn)生拓撲相變的關(guān)鍵在于通過破壞系統(tǒng)的時間反演對稱性或空間反演對稱性，以在能級簡并點產(chǎn)生能隙，從而形成受拓撲保護的邊界態(tài)。對于空間反演對稱性被破壞的系統(tǒng)，在拓撲數(shù)不同的區(qū)域組成的邊界處，能支持能谷相關(guān)的方向性傳播的邊界態(tài)模式，即光子能谷霍爾效應。具有不同亞晶格能量的周期排布的六角光子晶體結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)這樣的能谷光子拓撲絕緣體，從而可用于構(gòu)建更加緊湊的急劇彎折的光學線路，提高光子芯片的器件集成度和魯棒性。近年來拓撲結(jié)構(gòu)中魯棒性的量子態(tài)傳輸成為熱門的研究方向，而量子干涉作為光量子信息過程的核心，尚未在拓撲保護光子晶體芯片中實現(xiàn)。

 

任希鋒研究組與中山大學董建文課題組合作在硅光子晶體體系中設(shè)計并制備出了“魚叉”形的拓撲分束器結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)六角晶格結(jié)構(gòu)的光子晶體中的電場相位渦旋方向依賴于不同拓撲陳數(shù)的晶格結(jié)構(gòu)以及其所處的能帶位置，可以構(gòu)造出兩種不同結(jié)構(gòu)的拓撲邊界?；谀芄认嚓P(guān)方向性傳輸?shù)臋C理，設(shè)計并加工了拐角可達到120度的“魚叉”形拓撲分束器，并在此結(jié)構(gòu)上演示了高可見度的雙光子干涉過程，干涉可見度達到95.6%。進一步通過級聯(lián)兩個拓撲分束器結(jié)構(gòu)演示了片上路徑編碼量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生。

 

該成果為拓撲光子學特別是能谷光子拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)應用于更加深入的量子信息處理過程提供了一個新的思路，審稿人一致認為這是一個有趣且重要的研究工作，并給出高度評價：“This is an interesting and important work （這是一個有趣而且重要的工作）”“I find the results interesting, in particular, the implementation of the HOM effect in this device, which may have implications in high fidelity on-chip quantum information processing（這個結(jié)果非常有趣，特別的，器件中實現(xiàn)的HOM干涉過程可能對高保真片上量子信息處理起到重要作用）”。

 

中科院量子信息重點實驗室任希鋒教授、中山大學董建文教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點實驗室博士生陳陽和中山大學博士后何辛濤為論文共同第一作者，浙江大學戴道鋅研究組參與工作。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術(shù)大學的資助。