中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在基于人工維度的全光器件的設(shè)計方面取得新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室教授周正威小組在理論上提出通過調(diào)控簡并光腔中的軌道角動量光子可以實(shí)現(xiàn)全光量子存儲器和濾波器，這為光學(xué)人工維度的應(yīng)用開創(chuàng)了一條新的道路。主要研究成果于7月14日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》[Nat. Commun. 8, Article Number 16097 (2017)]上。

　　全光器件在傳統(tǒng)的光通訊、量子信息等領(lǐng)域非常重要，但全光器件的設(shè)計是基于光子在真實(shí)空間中的傳播和干涉，它需要對大量的光學(xué)元件進(jìn)行精確地控制，從而導(dǎo)致精密而復(fù)雜的全光器件非常難以實(shí)現(xiàn)。周正威等人提出了一種全新的設(shè)計全光器件的思路——即：通過調(diào)控光子的內(nèi)部自由度來實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計。他們將光子的軌道角動量自由度映射為人造維度上的一個個空間格點(diǎn)，通過巧妙地設(shè)計這些人造維度中格點(diǎn)的躍遷，從而等效了光子在真實(shí)空間維度上的傳播。于是，通過調(diào)控光子在人工維度上的行為，最終即可實(shí)現(xiàn)全光器件的功能。利用這一思路，可以大大簡化全光器件設(shè)計上的難度，在此基礎(chǔ)上，他們提出在這個系統(tǒng)中如何設(shè)計實(shí)現(xiàn)全光的量子存儲器和光學(xué)濾波器。

　　這個設(shè)計的巧妙之處在于，所有的這些光子軌道角動量模式（用以映射人工維度上的空間格點(diǎn)）都可以包含在一個能量簡并的光腔中，通過附加簡單的光路，即可實(shí)現(xiàn)這些簡并模式之間的躍遷。這一利用光子內(nèi)部自由度來映射人工維度的思想，最早亦為周正威等人提出，他們發(fā)表理論文章，提議可以用來模擬建立于人工維度上的具有拓?fù)湫再|(zhì)的光子晶體[Nat. Commun. 6, Article Number 7704 (2015)]以及周期驅(qū)動下的拓?fù)洳牧系男再|(zhì)[Phys. Rev. Lett. 118, 083603 (2017)]。而當(dāng)前的這一工作，則是首次提出利用光學(xué)人工維度上的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)全光器件的設(shè)計。

　　目前，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李傳鋒組正在開展這個全新方向上的實(shí)驗(yàn)工作，他們已經(jīng)初步制備成功包含這些簡并的光學(xué)軌道角動量模式的光腔[Opt. Lett. 42, 2042 (2017)]。

　　中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士羅希望為文章的第一作者，周正威、周幸祥為文章的通訊作者。這項(xiàng)工作得到國家基金委、中科院、科技部、教育部的資助。

　　全光器件的設(shè)計原理示意圖。a）傳統(tǒng)的全光器件是基于光子在真實(shí)空間中的傳播和干涉，需精密地調(diào)控大量光學(xué)原件。b）利用光子在人工維度上的傳播和干涉來設(shè)計新型的全光器件。