利用單個鈮酸鋰薄膜馬赫-曾德爾干涉儀輔助裝置實現多功能光子頻率合成維度

核心概念

本研究提出了一種基於鈮酸鋰薄膜平台的新型光子頻率合成維度方案，利用單個馬赫-曾德爾干涉儀輔助裝置實現了對耦合強度和範圍的精確調控，並通過實驗驗證了該方案在模擬複雜物理模型方面的多功能性和靈活性。

摘要

研究論文摘要

書目信息

Wang, Z.-A., Zeng, X.-D., Wang, Y.-T., Ren, J.-M., Liu, W., Li, Z.-P., Guo, N.-J., Xie, L.-K., Liu, J.-Y., Ma, Y.-H., Wu, Y.-Q., Wang, S., Tang, J.-S., Li, C.-F., & Guo, G.-C. (2024). Versatile photonic frequency synthetic dimensions using a single Mach-Zehnder-interferometer-assisted device on thin-film lithium niobate. arXiv:2411.13331v1 [physics.optics].

研究目標

本研究旨在開發一種基於鈮酸鋰薄膜平台的光子頻率合成維度方案，通過單個馬赫-曾德爾干涉儀輔助裝置實現對耦合強度和範圍的精確調控，並探索其在模擬複雜物理模型方面的應用。

研究方法

研究人員設計並製造了一個包含兩個由馬赫-曾德爾干涉儀耦合的諧振腔的鈮酸鋰薄膜裝置。通過調節施加在干涉儀上的偏置電壓和射頻調製，他們實現了對諧振腔之間耦合強度和相位的精確控制。利用時域光譜技術，他們測量了不同參數下系統的能帶結構，並與理論預測進行了比較。

主要發現

• 研究人員成功地利用單個馬赫-曾德爾干涉儀實現了對諧振腔之間耦合強度和範圍的精確調控，包括相鄰耦合、交叉耦合和長程耦合。
• 通過調節干涉儀上的電壓和射頻信號，他們在實驗上模擬了多種物理模型，包括緊束縛晶格、霍爾梯子和克羅伊茨梯子。
• 他們觀察到了這些模型的關鍵物理現象，例如能帶結構、自旋動量鎖定和阿哈羅諾夫-玻姆籠效應。

主要結論

本研究提出了一種基於鈮酸鋰薄膜平台的多功能光子頻率合成維度方案，利用單個馬赫-曾德爾干涉儀實現了對耦合的精確控制，並展示了其在模擬複雜物理模型方面的潛力。

研究意義

該研究為光子合成維度領域提供了新的思路和方法，為研究拓撲光子學、量子模擬和光信息處理等領域的複雜物理現象提供了新的平台。

局限性和未來研究方向

• 目前的實驗裝置僅限於兩個諧振腔，未來可以擴展到更多諧振腔的系統，以模擬更複雜的物理模型。
• 未來可以進一步探索利用該方案實現非線性光學效應和量子光學效應的可能性。

統計資料

諧振腔的自由光譜範圍約為 2π × 8.9 GHz。
電鍍電極前，諧振腔的负载品質因子為 3.7 × 10⁵。
電鍍電極後，由於金屬吸收，负载品質因子降至 1.7 × 10⁵。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Versatile photonic frequency synthetic dimensions using a single Mach-Zehnder-interferometer-assisted device on thin-film lithium niobate

by Zhao-An Wang... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13331.pdf

深入探究

如何將該方案擴展到三維或更高維度的光子合成維度系統？

將此方案擴展到三維或更高維度，需要引入更多可操控的自由度以及相應的耦合機制。以下列舉幾種可能的方法：

多個諧振腔陣列: 可以利用多個諧振腔陣列，每個陣列代表一個二維平面，並通過額外的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）實現不同平面間的耦合，從而構建三維光子晶格。例如，可以使用一組平行排列的諧振腔陣列，並利用MZI控制光子在不同陣列間的跳躍，模擬三維空間中的耦合。

額外的調製頻率: 除了使用射頻信號調製MZI和諧振腔，還可以引入額外的調製頻率，在頻率維度上創造更多的合成晶格點。例如，可以同時使用兩個不同頻率的射頻信號分別調製MZI和諧振腔，這樣每個諧振腔就會在頻率維度上產生兩個合成晶格點，再結合空間維度，就可以形成三維光子晶格。

結合其他自由度: 除了頻率和空間維度，還可以結合其他光學自由度，例如偏振、軌道角動量等，來構建更高維度的合成維度系統。例如，可以利用偏振分束器和偏振控制器，將不同偏振態的光限制在不同的諧振腔陣列中，並通過MZI控制不同偏振態光子之間的耦合，從而實現三維或更高維度的合成維度系統。

需要注意的是，擴展到更高維度會增加系統的複雜性和控制難度，需要更精密的器件設計和更精確的信號控制。

其他材料平台是否可以替代鈮酸鋰薄膜來實現該方案？

除了鈮酸鋰薄膜，其他具備電光效應的材料平台也可以用於實現該方案，例如：

矽基光子學平台: 矽基光子學平台具有成熟的製程、低成本和與CMOS工藝兼容等優勢，並且可以通過載流子色散效應或微機電系統（MEMS）實現電光調製。然而，矽基材料的電光效應較弱，需要更長的波導或更强的電場才能達到所需的調製深度。

氮化矽（SiN）平台: 氮化矽平台具有較低的傳播損耗、較高的光學損傷閾值和與CMOS工藝兼容等優勢，並且可以通過熱光效應或壓電效應實現電光調製。然而，氮化矽材料的熱光效應響應速度較慢，限制了調製速率。

二維材料: 石墨烯、二硫化鉬等二維材料具有較强的電光效應和超快的響應速度，並且可以與矽基或氮化矽平台集成，為實現高性能、小型化的光子合成維度器件提供了新的可能性。
總之，選擇合適的材料平台需要綜合考慮材料的電光效應强度、調製速度、傳播損耗、光學損傷閾值、製造成本以及與其他器件的集成難度等因素。

該方案在量子信息處理和量子計算領域有哪些潛在應用？

該方案構建的可控、多功能光子合成維度系統，在量子信息處理和量子計算領域有著廣泛的應用前景，例如：

量子模擬: 可以利用該方案構建模擬凝聚態物理系統的量子模擬器，例如拓撲絕緣體、量子霍爾效應等，從而研究複雜的量子現象和探索新的量子材料。

量子行走: 可以利用該方案構建光子量子行走平台，通過調控合成維度中的耦合强度和相位，實現對量子行走過程的精確控制，並應用於量子搜索、量子算法等領域。

量子糾纏: 可以利用該方案構建產生和操控量子糾纏態的平台，例如利用合成維度中的拓撲保護特性，實現對量子糾纏態的魯棒性操控，並應用於量子通信、量子計算等領域。

量子門: 可以利用該方案構建實現量子邏輯門的平台，例如利用合成維度中的能帶結構和耦合特性，實現對光子量子比特的操控，並構建量子計算的基本單元。
總之，該方案為量子信息處理和量子計算提供了一個高度可控、可擴展的光子平台，有望推動量子技術的發展和應用。