可编程光子芯片在能量泄漏时仍能读出光中的隐藏拓扑

作者：Ali W. Elshaari

当我向学生解释拓扑学时，我会从绳子上的一个结开始。你可以拉伸它、扭转它或摇晃它，但只要不剪断绳子，结就一直存在。物理学家发现，某些材料和器件在波的传播方式上也带有类似的"结"。这些就是拓扑性质，用整数标记，在小的缺陷下不会改变。正是这种稳健性使拓扑学成为现代物理学的核心思想之一。它有望带来能够容忍缺陷和噪声的电子、光子和量子器件。

有一个问题一直困扰着我们。这些拓扑数存在于物理学家所说的动量空间中。那是一个抽象空间，描述波如何传播，而不是波在哪里。

在大多数实验中，没有人直接观察动量空间。相反，我们从拓扑的后果推断拓扑，例如在精心制造的样品边缘出现的特殊状态。这种方法有效，但有点像只看绳子的两端来判断绳子是否打了结。

在"非厄米"系统中，问题变得更加困难，因为这类系统会向周围环境损失能量。每个真实器件都是如此，而有损系统恰恰承载着一些最丰富、最奇特的物理现象。但强损耗会缩小承载拓扑信息的信号本身。于是我们问自己：即使在耗散很强的情况下，我们能否直接在动量空间中读出拓扑？

可编程芯片作为物理模拟器

我们的答案是一个可编程的光子集成电路。它是一块小芯片，光在其中通过可重构的波导网络传播，我们可以用电学方式控制光路。

我们不是制造物理晶格，而是对芯片进行编程，使其重现系统在动量空间中某一点的行为。然后我们为下一点重新编程，如此反复，直到扫描完整个空间。同一块芯片可以在某一时刻描述一个平庸系统，下一时刻又描述一个拓扑系统。

损耗是更棘手的部分。我们芯片上的光自然演化时没有损耗，而我们想研究的系统确实会损失能量。我们使用了一种称为酉扩张的数学技术，将有损耗的演化嵌入到一个更大的、无损耗的演化中。实际上，我们在芯片上添加额外的"辅助"通道来吸收原本会损失的部分。信号通道随后就表现得与我们想研究的有损耗系统完全一致。

为了读出隐藏的信息，我们使用干涉测量。我们将光与参考光在四个不同相移下混合，并测量输出强度。从这四个简单的测量中，我们重建信号的强度和相位。拓扑就隐藏在相位中。

我们的研究结果已发表在Physical Review Letters期刊上。

我们观察到了什么

我们首先在一个经典的有损耗拓扑链模型——非厄米 Su–Schrieffer–Heeger 模型上测试了该方法。芯片清晰地区分了两种相。我们提取的拓扑量称为 Zak 相位，在拓扑情形下接近 π（我们测得 1.02π），在普通情形下接近零，正如理论所预测的那样。

我们还研究了有损耗系统独有的一个特性：例外点。这是一个特殊的点，在该点系统的简正模式合并，常规直觉失效。当我们在测量信号中围绕该点的特征描绘一个回路时，相位缠绕一次，在一个方向上给出 +1，在另一个方向上给出 −1。令我印象深刻的是，如此奇异的特征竟在几次强度测量中留下如此清晰的指纹。

最后，我们通过缓慢循环系统的参数，将这一思想扩展到二维合成空间，这种方案称为 Rice–Mele 泵浦。在这里，相关的拓扑数——陈数——在拓扑循环中为 1，在平庸循环中为 0。

这为何重要，以及接下来的工作

对我来说，最令人兴奋的部分是其灵活性。探索整个拓扑相家族通常需要制造许多不同的样品。借助可编程芯片，我们只需更改设置，就能在一个器件上遍历整个相图，甚至包括最难触及的强有损耗区域。

当然，也存在局限。该芯片模拟的是这些系统；它并非真实材料。当信号变得非常微弱时，相位就难以确定。而且更大、更复杂的模型将需要具有更多通道的芯片。但可编程光子芯片正在迅速扩展。我认为这是朝着将它们用作拓扑物理和非厄米物理的多功能实验室迈出的一步，而固定几何器件无法达到这一目标。

这项工作由博士生 Andrea Cataldo 在瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）的 Q-Photon 小组完成，该小组由 Ali W. Elshaari 领导。我们与斯德哥尔摩大学的 Emil J. Bergholtz、新加坡科技设计大学的 Daniel Leykam 以及华中科技大学的 Jun Gao 进行了合作。

本报道是 Science X Dialog 的一部分，研究人员可在此报道其已发表的研究论文中的发现。访问此页面了解有关 Science X Dialog 及如何参与的信息。

出版详情

Andrea Cataldo 等，《可编程耗散光子电路中动量空间拓扑的干涉读出》，Physical Review Letters（2026）。DOI: 10.1103/xkht-64kc。arXiv：arxiv.org/abs/2609.38352

这篇报道出自谁手？

萨迪·哈莉

生命科学与生态学理学学士。具备微生物学实验室背景，拥有石油、天然气和可再生能源行业的医药新闻经验。 完整简介 →

罗伯特·伊根

数学生物学学士，创意写作硕士。见多识广，对科学和语言有独到见解。 完整简介 →

Andrea Cataldo 是瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）量子纳米光子学小组的博士生，导师为 Ali W. Elshaari。Andrea 的研究利用可编程光子集成电路探索拓扑物理和非厄米物理。

Ali W. Elshaari 是瑞典皇家理工学院应用物理系副教授，在量子纳米光子学小组工作。他的研究聚焦于集成量子光子学，包括可编程光子电路、片上量子光源和混合量子光子器件。其工作涵盖拓扑物理和非厄米物理的基础研究，以及用于量子信息处理的可扩展光子技术。他是 Wallenberg 量子技术中心（WACQT）成员，也是 Marie Curie 学者。

引用： Reading hidden topology in light, even when energy leaks away (2026, October 3) retrieved 17 October 2026 from https://phys.org/news/2026-10-hidden-topology-energy-leaks.html

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