Um isolador topológico Floquet anômalo (AFTI) é um isolador topológico acionado periodicamente (TI com números de enrolamento diferentes de zero para suportar modos de borda topológica, embora seus invariantes topológicos padrão, como números de Chern, sejam zero.



A rede fotônica construída por uma matriz de guia de onda óptica fabricada pela escrita direta a laser de femtosegundo (FLDW) é uma plataforma importante para simulação quântica para realizar AFTIs fotônicos, porque o FLDW oferece design flexível de estruturas de guia de onda tridimensionais verdadeiras (3D) e controle preciso de cada acoplamento entre guias de onda. Além disso, a distância de evolução da rede pode ser mapeada como o tempo de evolução.

Em AFTIs fotônicos gravados diretamente com laser de femtosegundo, o acoplamento seletivo de guias de onda adjacentes em um ciclo é explicitamente definido pelo protocolo discreto de condução periódica. No protocolo de condução discreta de transferência completa, os modos de borda quiral coexistem com modos em massa sem dispensação, e a eficiência de transferência de energia de rede do modo de borda quiral é a mais alta entre todos os TIs (perto de 100%), por isso é muito adequado para o transporte de estados quânticos frágeis.

No entanto, a maioria dos AFTIs fotônicos geralmente suportam apenas um tipo de modo de borda quiral, mesmo em um tamanho de rede grande, exibindo apenas uma quiralidade e propagando-se apenas ao longo dos limites externos das redes, o que não pode atender ao requisito de escalabilidade para estados múltiplos. sistema quântico topológico e computação quântica óptica em grande escala. Como aumentar o tipo e o número de modos de borda quiral em uma única rede fotônica é um desafio.

Recentemente, em artigo publicado na Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Yan Li e pelo professor Qihuang Gong do Laboratório Estadual Chave para Microestrutura Artificial e Física Mesoscópica, Escola de Física da Universidade de Pequim, China, e colegas de trabalho introduziram o fractal em AFTIs fotônicos e demonstraram o primeiro realização experimental de AFTIs fotônicos fractais em vidro usando a técnica FLDW.

Os locais da rede são organizados de acordo com a estrutura de tapete duplo de Sierpinski (DSC) de segunda geração (G (2)), cuja dimensão de Hausdorff é 1,89D. O acoplamento entre guias de onda adjacentes é configurado de acordo com o protocolo de condução discreta de transferência completa:em cada etapa, apenas um tipo de acoplamento é ligado quando dois guias de onda se aproximam para formar um acoplador direcional horizontal ou vertical (DC) e os outros três estão desligados , e a transmitividade teórica de cada DC é definida como 100%.

Os acoplamentos individuais são garantidos pela estrutura de guia de onda 3D especialmente projetada baseada em DCs, bastante diferente das redes fractais anteriores construídas por guias de onda retos idênticos ou guias de onda helicoidais. Nas amostras AFTI fractais de um período fabricadas, o número de DCs é de até 88, mas menos do que em uma rede completa.

Pode ser encontrado no espectro de quase energia da rede DSC em G (2), a rede fractal retém o modo quiral da borda externa na rede normal original e gera dois modos quirais da borda interna IEA e IEB, que têm a quiralidade oposta com o modo de borda externa e se propaga ao longo dos limites internos da rede. O fractal AFTI com menos guias de onda suporta 4 tipos de modos:17 modos de borda externa, 7 modos de borda interna IEA, 24 modos de borda interna IEB e 16 modos em massa. Assim, o número de modos de arestas quirais transportados por uma única rede aumenta grandemente para 48.

Pela excitação do laser em um único local, embora existam desvios de força de acoplamento na amostra fabricada, os comportamentos de transferência de modo medidos dos modos de borda quiral concordam bem com os resultados da simulação teórica, indicando a robustez do modo de borda quiral.

Além disso, quando a luz excitada é um par de fótons correlacionados, o estado de borda externa quiral de fóton único gerado e o estado de borda interna são topologicamente protegidos na distribuição de modos e na correlação quântica durante o transporte de estado quântico na rede. As interferências quânticas de alta visibilidade observadas verificam que múltiplos estados de borda quiral de fóton único de propagação são altamente indistinguíveis, o que fornece o potencial para gerar recursos de emaranhamento topologicamente protegidos e realizar operações lógicas quânticas.

"Com o crescimento das gerações fractais, o tipo e o número de modos de borda quiral em uma única rede aumentam significativamente. Quando os fótons injetados são multifótons, ou fótons em estados de superposição ou estados emaranhados, a capacidade de informação quântica de um único fractal fotônico a rede pode ser ainda mais expandida", acrescentaram os pesquisadores.

"AFTIs fotônicos fractais podem transportar simultaneamente vários estados de borda quiral quântica protegidos topologicamente, para que possam servir como uma transportadora estável para transmissão de informações quânticas de alta capacidade. Espera-se que eles possam ser usados ​​​​em computação quântica topológica multifóton escalonável e simulação quântica de sistemas multipartículas, além do tapete de Sierpinski e da junta de Sierpinski, isso pode se estender a muitas outras estruturas fractais, o que pode ampliar o campo dos TIs fotônicos fractais", dizem os cientistas.

Mais informações: Meng Li et al, Isoladores topológicos anômalos fotônicos Fractal Floquet para gerar múltiplos estados de borda quiral quântica, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01307-y
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

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