Multi-Channel Non-Abelian Edge Pumping via Multi-Degeneracy Encircling
本文展示了一种在硅光子芯片上实现多通道非阿贝尔边缘泵浦的可扩展方法，该方法通过在有能隙的点阵中绝热地环绕多个能带简并点，实现了在无需脆弱的能隙闭合条件的情况下，对拓扑保护的边缘模在不同物理边界间的序列控制路由。
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在光与声的世界里，波通常表现得像聚会上彬彬有礼的宾客：它们彼此穿过而不发生改变，或者以可预测的方式从障碍物周围弹跳。几十年来，科学家们一直试图寻找一种方法，让这些波表现得更像复杂的、相互作用的智能体，即通过遇到障碍物的顺序来改变最终结果。这一理念根植于被称为“非阿贝尔操作”（non-Abelian operations）的物理学分支，它表明，如果你在一个受控环境中让波绕着一个特定点移动，结果将完全取决于你移动的序列。想象一位旅行者必须访问三座城市；如果他先去城市 A 再去城市 B，其最终状态与先去城市 B 再去城市 A 是不同的。虽然这一概念已在理论中以及微小且脆弱的量子系统中得到了探索，但要在稳健、实用的设备中利用光来实现它，仍然是一个重大的挑战。以往的大多数尝试都局限于在仅两个点之间移动光，或者需要光能级塌缩到单个不稳定点的条件，这使得过程难以维持。
一组研究人员现在展示了一种方法，可以在硅芯片上引导光完成一段复杂的、多步骤的旅程，证明了移动的顺序确实至关重要。通过设计一种特定的微观通道图案，他们创建了一个系统，使光可以根据其在设备中行进的顺序被路由到不同的目的地。研究人员构建了一个“带状三角形”（band-triangle），这是一个由三条不同路径组成的结构，用于光线跟随，这些路径以一种特殊的方式连接，从而创造出能量级相遇的特殊点。通过精心设计芯片的形状，使光沿着这些相遇点周围的曲线路径移动，团队展示了如何在芯片的不同边缘之间切换光。至关重要的是，他们发现将光从一个边缘交换到另一个边缘，再交换到第三个边缘，所产生的结果与以相反的顺序执行这些交换操作是不同的。这证实了光经历了一次非阿贝尔变换，即其旅程的历史决定了它的最终位置。
该设备本身是一个硅光子芯片，这是一种通过在材料中蚀刻出的微小通道来引导光的微型硬件。研究人员设计了一个晶格（或网格），由三条平行的波导组成，作为光的三个路径。随着光沿芯片长度方向移动，这些波导的物理尺寸——特别是它们的宽度和它们之间的距离——会发生逐渐变化。这种渐变过程充当了一个控制旋钮，引导光在由芯片几何形状定义的数学空间中进行环绕。团队在该空间中识别出了三个特殊的点，在这些点上，光的模式能级会发生接触。其中两个点表现得像带电中心，将光从芯片的一侧拉向另一侧，而第三个点则允许光在同一侧的两个位置之间进行交换。通过编程引导光绕过其中一个点，研究人员可以将光从芯片的上边缘移动到下边缘。通过引导光绕过第三个点，他们可以在不跨越到底部的情况下，将光在顶部和中部边缘之间移动。
真正的突破在于团队将这些移动组合成一个序列。他们首先让光经过一条交换顶部和中部边缘的路径，然后立即通过一条交换顶部和底部边缘的路径。随后，他们以相反的顺序重复了实验：先底到顶，再顶到中。结果令人震惊。当光从顶边缘开始时，第一种序列将其送往底部，而第二种序列则将其送往中部。最终的去向并非仅仅由起始点或终点决定，而是由它所经历的步骤顺序决定。这种依赖于序列的行为是非阿贝尔物理学的标志。研究人员测量了芯片输出端口的光强度，发现光以极高的纯度到达了预测的位置，证实了这种复杂的路由工作如预期般运行。
这项工作超越了以往仅限于在两个点之间移动光，或要求系统经过不稳定、能隙闭合状态的实验。这种新方法在整个过程中使光保持完全独立于其他能级，使得路由过程既稳健又可靠。该设计还具有可扩展性；研究人员展示了通过堆叠更多层这样的三角形连接，同样的原理可以扩展到通过更多通道引导光。这为创建集成电路开辟了大门，在这些电路中，由光携带的信息可以以复杂且依赖于序列的方式进行处理和路由，就像一个交通控制系统根据车辆进入高速公路的顺序来引导车辆前往不同的出口一样。这项实验是在一个具有泵浦长度的芯片上进行的，它为此前仅存在于理论和脆弱量子设置中的概念提供了一个具体的、物理上的实现，为未来光学技术中控制光开辟了一条新路径。
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