|
Фрактальные фотонные аномальные изоляторы
|
|
|
|
Аномальный топологический изолятор Флоке (AFTI) — это топологический изолятор с периодическим приводом (TI) с ненулевым числом витков для поддержки топологических краевых мод, хотя его стандартные топологические инварианты, такие как числа Черна, равны нулю. Фотонная решетка, построенная с помощью массива оптических волноводов, изготовленных с помощью прямой записи фемтосекундного лазера (FLDW), является важной платформой для квантового моделирования для реализации фотонных AFTI, поскольку FLDW предлагает гибкое проектирование истинных трехмерных (3D) волноводных структур и точное управление. каждой связи между волноводами. Более того, расстояние эволюции решетки можно отобразить как время эволюции. В фотонных AFTI с прямой записью фемтосекундного лазера избирательное соединение соседних волноводов в цикле явно определяется протоколом дискретного периодического возбуждения. В протоколе дискретного управления с полной передачей киральные краевые режимы сосуществуют с объемными режимами без распределения, а эффективность передачи энергии решетки киральной краевой моды является самой высокой среди всех TI (около 100%), поэтому она очень подходит для транспорта хрупких квантовых состояний.
|
|
|
|
Однако большинство фотонных AFTI обычно поддерживают только один вид киральной краевой моды даже при большом размере решетки, демонстрируя только одну киральность и распространяясь только вдоль внешних границ решеток, что не может удовлетворить требованию масштабируемости для многосостояния. топологическая квантовая система и крупномасштабные оптические квантовые вычисления. Как увеличить тип и количество киральных краевых мод в одиночной фотонной решетке — сложная задача. Недавно в статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа ученых под руководством профессора Яна Ли и профессора Цихуан Гуна из Государственной ключевой лаборатории искусственной микроструктуры и мезоскопической физики Школы физики Пекинского университета, Китай, и соавт. рабочие ввели фрактал в фотонные AFTI и продемонстрировали первую экспериментальную реализацию фрактальных фотонных AFTI в стекле с использованием техники FLDW. Узлы решетки расположены в соответствии со структурой двойного ковра Серпинского (DSC) второго поколения (G(2)) с размерностью Хаусдорфа 1,89D. Связь между соседними волноводами настраивается в соответствии с протоколом дискретного управления полной передачей: на каждом этапе включается только один вид связи, когда два волновода приближаются близко, образуя горизонтальный или вертикальный направленный ответвитель (DC), а остальные три выключены. , а теоретическая пропускаемость каждого постоянного тока установлена равной 100%.
|
|
|
Индивидуальные связи гарантируются специально разработанной трехмерной волноводной структурой на основе DC, существенно отличающейся от предыдущих фрактальных решеток, построенных из идентичных прямых волноводов или винтовых волноводов. В изготовленных однопериодных фрактальных образцах АФТИ число ДК достигает 88, но меньше, чем в полной решетке. Его можно найти в квазиэнергетическом спектре решетки DSC в точке G (2), фрактальная решетка сохраняет киральную внешнюю краевую моду в исходной нормальной решетке и порождает две киральные внутренние краевые моды IEA и IEB, которые имеют противоположную киральность с внешнюю краевую моду и распространяются вдоль внутренних границ решетки. Фрактальный AFTI с меньшим количеством волноводов поддерживает 4 вида режимов: 17 режимов внешнего края, 7 режимов внутреннего края IEA, 24 режима внутреннего края IEB и 16 объемных режимов. Таким образом, количество киральных краевых мод, переносимых одной решеткой, значительно увеличивается до 48. При одноцентровом возбуждении лазера, несмотря на то, что в изготовленном образце существуют отклонения в силе связи, измеренные характеристики переноса мод киральных краевых мод хорошо согласуются с результатами теоретического моделирования, что указывает на надежность киральной краевой моды.
|
|
|
|
Более того, когда возбужденный свет представляет собой пару коррелированных фотонов, генерируемые однофотонные киральные внешнее краевое состояние и внутреннее краевое состояние топологически защищены в распределении мод и квантовой корреляции во время транспорта квантового состояния в решетке. Наблюдаемые квантовые интерференции с высокой видимостью подтверждают, что множественные распространяющиеся однофотонные киральные краевые состояния практически неразличимы, что обеспечивает потенциал для генерации топологически защищенных ресурсов запутанности и выполнения квантовых логических операций. «С ростом фрактальных поколений тип и количество киральных краевых мод в одной решетке значительно увеличиваются. Когда инжектированные фотоны являются многофотонными или фотонами в состояниях суперпозиции или запутанных состояниях, квантовая информационная емкость одиночного фрактального фотонного состояния решетку можно еще больше расширить», — добавили исследователи. «Фрактальные фотонные AFTI могут одновременно переносить несколько топологически защищенных квантовых киральных краевых состояний, поэтому они могут служить стабильным носителем для передачи квантовой информации с высокой пропускной способностью. Ожидается, что их можно будет использовать в масштабируемых многофотонных топологических квантовых вычислениях и квантовом моделировании. "Многочастичных систем. Помимо ковра Серпинского и прокладки Серпинского, это может распространяться на многие другие фрактальные структуры, которые могут расширить область фрактальных фотонных ТИ", - говорят ученые.
|
|
|
|
Источник
|
