12月25日，记者从上海交通大学获悉，该校物理与天文学院金贤敏教授团队制备出世界上首个轨道角动量波导光子芯片，该研究成果近日发表于《物理评论快报》，并作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics亮点文章在其网站首页重点推荐，美国物理学会的《物理》期刊也同步发表亮点文章。
据悉，金贤敏团队在国际上首次在光芯片内制备出可携带光子轨道角动量自由度的光波导，并实现在波导内高效和高保真地传输。这项研究进展使得未来在光子集成芯片内高效利用光子轨道角动量这一新兴的自由度成为可能，为基于光子轨道角动量自由度的光信息以及量子信息技术芯片化集成化打开了大门。
近年来，由于扭曲光（twisted light）独特的特性，具有“甜甜圈”分布的强度结构，螺旋型波阵面的位相结构，携带轨道角动量的动态特性，使其被广泛地应用于光束缚、光操纵以及光钳等领域。不同于光的自旋角动量，轨道角动量拥有无限的拓扑荷和内在的正交性，可以为模式多路分发提供巨大的资源，用于解决通信系统上信道容量紧缩的问题。而在量子光学与量子信息领域，光子轨道角动量，作为内禀的无限维的自由度，可将其用于分发高维的量子态以及构建高维希尔伯特空间的量子计算。
金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了首个波导横截面为“甜甜圈”型的三维集成的轨道角动量波导光子芯片，使得轨道角动量这一新兴自由度在芯片内操控得以在实验中首次实现。这也将促进未来光子集成芯片上高维量子信息与高维量子计算的实现。
研究人员通过三维飞秒激光直写技术得到的“甜甜圈”波导可以有效地将简并的轨道角动量模式分开。此“甜甜圈”型波导是由12根相互之间有轻微重叠的波导和高折射率芯所组成的。通过测量从芯片出来的扭曲光与参考光的干涉以及对芯片前后的态作投影测量，实验验证了此波导可以高效高保真地传输低阶轨道角动量模式，特别是传输总效率高达60%。对于高阶模式，目前加工出来的波导，会让其转化为低阶模式。同时实验发现，此波导也可以高保真地传输三比特的“qutrit”态，超越了传统的两比特的“qubit”态。这暗示着此波导将很有潜力可以用于高维量子态的传输与操控。
相关论文信息：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.233602
https://physics.aps.org/articles/v11/125
