10月15日，國際材料與器件領域學術期刊《先進材料》（Advanced Materials，影響因子25.8）以“Quantum Topological Boundary States in Quasi-Crystals”為題在線發表了上海交通大學物理與天文學院金賢敏課題組在量子信息與拓撲光學交叉領域取得的重要進展，演示了準晶中的量子拓撲邊界態，以及拓撲為單光子的量子性質帶來的直接保護作用。
拓撲光子學從凝聚態物理中發展而來，最初的目的是對光子傳輸進行拓撲保護，使其免受由於加工導致的晶格散射以及結構無序影響。拓撲相作為材料以及人造結構一項重要性質，近年來被廣泛研究，眾多研究都表明拓撲相具有保護物理場的能力。受此啟發，研究團隊認為這種拓撲相的保護能力或許可以被推廣到量子領域並用來保護量子性質，這可以在量子糾錯 (quantum error correction) 和拓撲量子計算 (topological quantum computing) 兩個方法之外找到另外一條用以保護量子性質可選的道路。
研究團隊利用三維激光直寫技術構建了具有拓撲邊界態的準晶晶格。如概念圖所示，將光子從邊界注入晶格中將會激發準晶受拓撲保護的邊界態，如果從中間注入光子，則只能激發準晶的平庸體態。完美的單光子在準晶的邊界態中能夠很好的保持自身量子性質，而在體態中的單光子則會受擴散影響不能保持自己良好的量子性質。研究團隊為了進一步驗證這種量子保護能力在實際應用中的表現，將實驗裝置至於噪音光下，並逐步增加噪音光源的亮度。實驗結果表明相比於體態中的光子，邊界態中的單光子在噪音環境下始終能夠保持相對較好的量子性質。隨著噪音水平的增加，研究團隊展示了這種保護能力的最大潛能。
該工作與近期的工作一同將拓撲相的保護機制推廣到量子領域用來直接保護量子性質，這標誌著一種新的保護量子性質方法的實現。研究團隊在文中展望了正在興起的量子拓撲光子學這一全新研究方向，這是拓撲物理與量子信息的交叉，近期國際上多個小組在該方向有重要突破。金賢敏課題組是最早開展相關研究的團隊之一，近期也完成了系列研究工作，除了該工作之外，還包括量子關聯[Optica, 6, 955-960 (2019)]以及量子糾纏[arXiv:1903.03015 (2019)]的拓撲保護，為進行拓撲量子模擬和量子計算提供了新的方向。
最近一期美國《科學》（Science）雜誌以“Protecting the quantum”為題報道了研究團隊的量子關聯拓撲保護的研究成果。《科學》雜誌高級主編Ian Osborne撰文指出，單光子因為具有魯棒性、高帶寬、以及能遠距離傳輸等特點，是理想的量子信息載體。然而，對於芯片化應用，光子不可避免與環境媒體相互作用從而導致損耗。這一現象不僅導致光子間的非經典關聯消失，可能對脆弱的糾纏光子影響更大。研究團隊展示了拓撲可以用來保護光子免受耗散和無序的影響，並實驗演示了集成光子芯片上的光子間量子關聯的拓撲保護。
物理與天文學院博士生王耀為論文第一作者，教授金賢敏為論文通訊作者。研究團隊感謝上海市科委重大項目和國家自然科學基金重點項目的雪中送炭，感謝中組部青年千人計劃、國家重點研發計劃、上海市教委的大力支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.201905624
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1415.3
https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000955
作者：劉思聰 供稿單位：上交大物理與天文學院
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