近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在基于人工合成维度的量子模拟方面取得重要实验进展，实现了基于简并腔中涡旋光子的拓扑量子模拟，为拓扑量子模拟开创新方法。
实验装置与理论模型示意图，a为简并光学谐振腔，b为人工合成光子轨道角动量晶格，图片来自中科大
维度是决定宇宙中物质特性的一个重要物理量。但在科学研究中，由于三维物理世界的限制，人们往往难以研究三维以上的物理系统性质及演化特性。针对这一难题，科学家提出可以通过人工合成维度的方式来解决。例如，在一个三维系统中引入两个人工合成维度，就可以在该系统上研究五维的物理性质。
涡旋光子作为携带不同轨道角动量的光子，其携带的轨道角动量数目原理上可以无限，因此它是构建人工合成维度的理想载体。早在2015年，中科院量子信息重点实验室周正威教授研究组就首次理论提出，基于人工合成光子轨道角动量维度实现量子模拟的方案。中科大郭光灿院士团队李传锋、许金时等人在这一方向进行了长期实验探索，先后搭建了基于平面镜、球面镜和椭球面镜的简并光学腔，实现腔内超过46阶轨道角动量模式的谐振。
此次，中科大郭光灿院士团队李传锋、许金时、韩永建等人，将涡旋光子束缚在简并光学谐振腔内，通过引入光子的自旋轨道耦合人工合成了一维的拓扑晶格，为拓扑量子模拟开创了一种新的方法。研究成果于4月19日发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。
图片来自《自然·通讯》(Nature Communications)
在此基础上，团队创造性地在驻波简并腔中引入具有各向异性的液晶相位片，实现腔内涡旋光子轨道角动量和光子自旋（即偏振）的耦合。腔内光子所携带的轨道角动量是整数分立的，与一维离散晶格相对应。因此，携带不同轨道角动量的光子可以等效为位于不同晶格格点上的准粒子，并通过自旋自由度将具有不同轨道角动量的光子耦合起来，从而模拟粒子在不同晶格格点之间的来回跃迁。
利用共振能谱探测技术，团队直接刻画了前述自旋轨道耦合系统的态密度(DOS)和能带结构。此外，团队利用实验装置优异的可调谐性能，清晰展现了周期性驱动系统能带打开和闭合的演化过程，并进一步引入不同的演化时序，系统研究了不同拓扑结构的特性并探测到拓扑绕数。
前述研究验证了利用涡旋光子固有自旋和轨道角动量作为人工合成维度的可行性，为研究丰富的拓扑物理系统提供了一个高度紧凑的实验平台。
论文共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生杨木，以及硕士研究生张昊清、廖昱玮。前述研究获得科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。
