能够存储量子信息的光波可以通过光子芯片波导传播并且可能用于片上计算。

具有螺旋形波前的光束可以基于螺旋的紧密度和方向来编码信息。这种“扭曲的光”在光通信和计算中具有潜在的用途，但是很难将这种光引导到基于芯片的光子电路中。中国的一个团队现在已经展示了一种可以在芯片上有效地传输扭曲光的光波导，甚至在过程中能够存化其量子态。扭曲光的特征用每个光子的轨道角动量（OAM）整数量子数l表示（以普朗克常数h为单位）。l的正负值对应于相反方向扭曲的光，如左旋和右旋。信息技术的可能性来自于使用这些离散量子状态来编码信息，就像双态量子实体可以充当编码1和0的量子比特一样。但是对于扭曲的光，l可以取任何整数值，因此波束可以编码更多信息。例如，三种光学模式l=-1,0和+1可以充当三态粒子，具有三种编码状态。原则上，光子器件[可以产生直到大约l＝300的具有明确定义的模式。这种光也可以置于这些状态的量子组合（叠加）中，这意味着它可以用于光量子计算。扭曲光之前通过基于芯片的光学器件产生并发射到自由空间中。但是将这种光导入到芯片中并在波导中传播是极其具有挑战性的。问题是普通的光纤性信道不支持“纯”OAM模式，实际上模糊了其中编码的任何信息。Jin-Min Jin和来自上海交通大学的同事现在已经开发出一种新型波导，可以让这些模式干净利落地传播。

图1 带扭曲的传输光。具有螺旋波前的扭曲光可以通过片上透明玻璃波导发送，同时保持其“扭曲”状态。原则上，每个波导可以一次承载多种模式，每个不同的模式代表一种与众不同的数据流。

关键是以“圆环”模式改变波导的折射率，如图中的横截面所示，波导芯较低折射率和周围环绕着较高的折射率。这个原理虽然人们已经了解，但是困难在于制造这样的结构。“传统的制造方法无法产生必要的，任意的三维的结构，”Jin说。研究人员使用了一种激光写入方法，其中超短（几百飞秒）绿光脉冲聚焦在硼硅酸盐玻璃晶片内精确控制的浅层深度。光的吸收局部地改变透明材料并改变其折射率，而脉冲的紧凑确保了变化高度局部化。环形横截面是通过制造12个分开但重叠的窄的高折射率通道来生产的，所述通道被布置成围绕低折射率芯的环中以产生连续的圆柱形通道。在一些波导中，研究小组在低折射率核心内增加了一个额外的高折射率中央通道，以改善传输。得到的波导直径约10微米，长约20毫米，Jin和同事用l=+1，-1，0三态以及这三态的叠加态的扭曲光测试它们。他们测量了进入和离开波导的光束的强度分布，以及透射光束和与通过自由空间发送的输入光束相同的参考光束之间的干涉。这种干涉揭示了光束的螺旋性。这些测量结果表明，波导可以支持扭曲模式，也可以滤除“不纯”成分，只留下具有明确定义l值的光子。在波导内部存在一些强度损失，但是出射光束强度仍然是输入的60％。对于较高的l值，其损耗仍然较大。但Jin说他的团队正在开发更适合携带这些高阶模式的波导。波导还能够保真地传输一次只发出一个光子的扭曲光。
       "这种用于传输扭曲光的芯片是一项重大进步，可能会在未来的片上光学和量子计算中得到应用，”在澳大利亚皇家墨尔本理工大学从事芯片光学技术研究的Haoran Ren说。Jin说，他希望看到在大容量光通信上的首次应用。但英国圣安德鲁斯大学光学操纵专家Kishan Dholakia警告说，对于扭曲光是否可以实现其高数据密度的承诺仍存在争议。然而，他认为这种新的芯片设计可能会开启量子光子学和成像领域的应用，该研究发表在Physical Review Letters上。

图2 通过环状物发光。具有这种折射率图案的玻璃纤维波导将支持具有螺旋波前的扭曲光，其中可以编码量子信息用于通信和计算。波导直径约10微米，黄色区域表示高折射率区域。

来源：APS Physics
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