Un isolante topologico Floquet anomalo (AFTI) è un isolante topologico guidato periodicamente (TI con numeri di avvolgimento diversi da zero per supportare le modalità limite topologiche, sebbene i suoi invarianti topologici standard come i numeri di Chern siano zero.
Il reticolo fotonico costruito da un array di guide d'onda ottiche fabbricato dalla scrittura diretta con laser a femtosecondi (FLDW) è un'importante piattaforma per la simulazione quantistica per realizzare AFTI fotonici, perché FLDW offre una progettazione flessibile di vere strutture di guide d'onda tridimensionali (3D) e un controllo preciso di ogni accoppiamento tra guide d'onda. Inoltre, la distanza di evoluzione del reticolo può essere mappata come tempo di evoluzione.
Negli AFTI fotonici scritti direttamente con laser a femtosecondi, l'accoppiamento selettivo di guide d'onda adiacenti in un ciclo è esplicitamente definito dal protocollo di guida periodica discreta. Nel protocollo di guida discreta a trasferimento completo, le modalità edge chirali coesistono con modalità bulk senza dispensazione e l'efficienza di trasferimento dell'energia reticolare della modalità edge chirale è la più alta tra tutti i TI (vicino al 100%), quindi è molto adatta per il trasporto di fragili stati quantistici.
Tuttavia, la maggior parte degli AFTI fotonici di solito supportano solo un tipo di modalità bordo chirale anche a reticoli di grandi dimensioni, esibendo solo una chiralità e propagandosi solo lungo i confini esterni dei reticoli, il che non può soddisfare i requisiti di scalabilità per il multistato. sistema quantistico topologico e calcolo quantistico ottico su larga scala. Come aumentare il tipo e il numero di modalità del bordo chirale in un singolo reticolo fotonico è una sfida.
Recentemente, in un articolo pubblicato su Light:Science &Applications , un team di scienziati, guidato dal professor Yan Li e dal professor Qihuang Gong del State Key Laboratory for Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University, Cina, e colleghi hanno introdotto il frattale negli AFTI fotonici e hanno dimostrato il primo realizzazione sperimentale di AFTI fotonici frattali in vetro utilizzando la tecnica FLDW.
I siti reticolari sono organizzati secondo la struttura del doppio tappeto di Sierpinski (DSC) di seconda generazione (G(2)), la cui dimensione di Hausdorff è 1,89 D. L'accoppiamento tra guide d'onda adiacenti è configurato secondo il protocollo di pilotaggio discreto di trasferimento completo:in ogni fase, solo un tipo di accoppiamento viene attivato quando due guide d'onda si avvicinano per formare un accoppiatore direzionale (DC) orizzontale o verticale e gli altri tre sono spenti e la trasmittanza teorica di ciascun DC è impostata al 100%.
I singoli accoppiamenti sono garantiti dalla struttura della guida d'onda 3D appositamente progettata basata su DC, abbastanza diversa dai precedenti reticoli frattali costruiti da guide d'onda diritte o guide d'onda elicoidali identiche. Nei campioni AFTI frattali a un periodo fabbricati, il numero di DC arriva fino a 88, ma inferiore a quello di un reticolo completo.
Può essere trovato nello spettro quasi energetico del reticolo DSC in G (2), il reticolo frattale mantiene la modalità chirale del bordo esterno nel reticolo normale originale e genera due modalità chirali del bordo interno IEA e IEB, che hanno la chiralità opposta con modalità del bordo esterno e si propagano lungo i confini interni del reticolo. L'AFTI frattale con meno guide d'onda supporta 4 tipi di modalità:17 modalità bordo esterno, 7 modalità bordo interno IEA, 24 modalità bordo interno IEB e 16 modalità bulk. Pertanto, il numero di modi di bordo chirali trasportati da un singolo reticolo aumenta notevolmente fino a 48.
Mediante l'eccitazione del laser su un singolo sito, sebbene esistano deviazioni della forza di accoppiamento nel campione fabbricato, i comportamenti di trasferimento della modalità misurati delle modalità bordo chirale concordano bene con i risultati teorici della simulazione, indicando la robustezza della modalità bordo chirale.
Inoltre, quando la luce eccitata è una coppia di fotoni correlati, lo stato del bordo esterno chirale a singolo fotone e lo stato del bordo interno generati sono topologicamente protetti nella distribuzione delle modalità e nella correlazione quantistica durante il trasporto dello stato quantistico nel reticolo. Le interferenze quantistiche ad alta visibilità osservate verificano che più stati di bordo chirali a singolo fotone che si propagano sono altamente indistinguibili, il che fornisce il potenziale per generare risorse di entanglement topologicamente protette ed eseguire operazioni di logica quantistica.
"Con la crescita delle generazioni frattali, il tipo e il numero di modi del bordo chirale in un singolo reticolo aumentano in modo significativo. Quando i fotoni iniettati sono multi-fotoni, o fotoni in stati di sovrapposizione o entangled, la capacità di informazione quantistica di un singolo fotonico frattale il reticolo può essere ulteriormente espanso," hanno aggiunto i ricercatori.
"Gli AFTI fotonici frattali possono trasportare simultaneamente più stati chirali quantistici topologicamente protetti, in modo che possano fungere da vettore stabile per la trasmissione di informazioni quantistiche ad alta capacità. Si prevede che possano essere utilizzati nel calcolo quantistico topologico scalabile multi-fotone e nella simulazione quantistica di sistemi multiparticellari Oltre al tappeto di Sierpinski e alla guarnizione di Sierpinski, questo può estendersi a molte altre strutture frattali, che possono ampliare il campo dei TI fotonici frattali," dicono gli scienziati.
Ulteriori informazioni: Meng Li et al, Isolanti topologici Floquet anomali fotonici frattali per generare più stati limite chirali quantistici, Luce:scienza e applicazioni (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01307-y
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
