Un isolant topologique Floquet anormal (AFTI) est un isolant topologique piloté périodiquement (TI avec des nombres d'enroulements non nuls pour prendre en charge les modes de bord topologiques, bien que ses invariants topologiques standard comme les nombres de Chern soient nuls.
Le réseau photonique construit par un réseau de guides d'ondes optiques fabriqué par écriture directe par laser femtoseconde (FLDW) est une plate-forme importante pour la simulation quantique permettant de réaliser des AFTI photoniques, car le FLDW offre une conception flexible de véritables structures de guides d'ondes tridimensionnelles (3D) et un contrôle précis. de chaque couplage entre guides d'ondes. De plus, la distance d'évolution du réseau peut être cartographiée comme le temps d'évolution.
Dans les AFTI photoniques à écriture directe par laser femtoseconde, le couplage sélectif de guides d'ondes adjacents dans un cycle est explicitement défini par le protocole de pilotage périodique discret. Dans le protocole de transfert discret complet, les modes de bord chiraux coexistent avec les modes de masse sans distribution, et l'efficacité de transfert d'énergie du réseau du mode de bord chiral est la plus élevée parmi tous les TI (proche de 100 %), il est donc très approprié. pour le transport d'états quantiques fragiles.
Cependant, la plupart des AFTI photoniques ne prennent généralement en charge qu'un seul type de mode de bord chiral, même sur une grande taille de réseau, ne présentant qu'une seule chiralité et se propageant uniquement le long des limites extérieures des réseaux, ce qui ne peut pas répondre aux exigences d'évolutivité du réseau multi-états. système quantique topologique et calcul quantique optique à grande échelle. Comment augmenter le type et le nombre de modes de bord chiraux dans un seul réseau photonique est un défi.
Récemment, dans un article publié dans Light :Science &Applications , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Yan Li et le professeur Qihuang Gong du Laboratoire clé d'État pour la microstructure artificielle et la physique mésoscopique de l'École de physique de l'Université de Pékin, en Chine, et ses collègues ont introduit la fractale dans les AFTI photoniques et ont démontré le premier réalisation expérimentale d'AFTI photoniques fractales dans le verre en utilisant la technique FLDW.
Les sites de treillis sont disposés selon la structure à double tapis Sierpinski (DSC) de deuxième génération (G (2)), dont la dimension Hausdorff est de 1, 89D. Le couplage entre guides d'ondes adjacents est configuré selon le protocole de transfert discret complet :à chaque étape, un seul type de couplage est activé lorsque deux guides d'ondes se rapprochent pour former un coupleur directionnel horizontal ou vertical (DC) et les trois autres sont désactivés. , et la transmittivité théorique de chaque DC est fixée à 100 %.
Les couplages individuels sont garantis par la structure de guide d'ondes 3D spécialement conçue à base de DC, très différente des précédents réseaux fractals construits par des guides d'ondes droits identiques ou des guides d'ondes hélicoïdaux. Dans les échantillons AFTI fractals à une période fabriqués, le nombre de DC peut atteindre 88, mais inférieur à celui d'un réseau complet.
On peut le trouver dans le spectre quasi-énergétique du réseau DSC en G(2), le réseau fractal conserve le mode de bord externe chiral dans le réseau normal d'origine et génère deux modes de bord interne chiraux IEA et IEB, qui ont la chiralité opposée avec le mode de bord extérieur et se propagent le long des limites intérieures du réseau. L'AFTI fractal avec moins de guides d'ondes prend en charge 4 types de modes :17 modes de bord extérieur, 7 modes de bord intérieur IEA, 24 modes de bord intérieur IEB et 16 modes de masse. Ainsi, le nombre de modes de bord chiraux portés par un seul réseau augmente considérablement jusqu'à 48.
Par excitation d'un seul site du laser, bien qu'il existe des écarts de force de couplage dans l'échantillon fabriqué, les comportements de transfert de mode mesurés des modes de bord chiraux concordent bien avec les résultats de simulation théorique, indiquant la robustesse du mode de bord chiral.
De plus, lorsque la lumière excitée est une paire de photons corrélés, l'état de bord externe chiral à photon unique généré et l'état de bord interne générés sont topologiquement protégés dans la distribution des modes et la corrélation quantique pendant le transport de l'état quantique dans le réseau. Les interférences quantiques à haute visibilité observées vérifient que plusieurs états chiraux à photons uniques se propageant sont hautement indiscernables, ce qui offre le potentiel de générer des ressources d'intrication topologiquement protégées et d'effectuer des opérations de logique quantique.
"Avec la croissance des générations fractales, le type et le nombre de modes de bord chiraux dans un seul réseau augmentent considérablement. Lorsque les photons injectés sont multi-photons, ou des photons dans des états de superposition ou des états intriqués, la capacité d'information quantique d'un seul photonique fractal le réseau peut être encore élargi", ont ajouté les chercheurs.
"Les AFTI photoniques fractales peuvent transporter simultanément plusieurs états chiraux quantiques topologiquement protégés, de sorte qu'ils peuvent servir de support stable pour la transmission d'informations quantiques à haute capacité. On s'attend à ce qu'ils puissent être utilisés dans le calcul quantique topologique multiphotonique évolutif et la simulation quantique. de systèmes multiparticules, en plus du tapis Sierpinski et du joint Sierpinski, cela peut s'étendre à de nombreuses autres structures fractales, ce qui peut élargir le champ des TI photoniques fractales", disent les scientifiques.
Plus d'informations : Meng Li et al, Isolateurs topologiques Floquet anormaux photoniques fractaux pour générer plusieurs états de bord chiraux quantiques, Lumière :Science et applications (2023). DOI :10.1038/s41377-023-01307-y
Informations sur le journal : La lumière :science et applications
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
