高效光基计算的光子材料助力计算速度提升

       中佛罗里达大学 (UCF) 的研究人员首次提出了一种拓扑绝缘体。它可以使光流经光子电路时的速度和效率得到有效提高，有望推进光子量子计算的发展。

       UCF 设计不同于传统的使用定制的离散耦合协议或螺旋晶格运动来引入拓扑相位的设计方法。为了提高拓扑特征的稳健性，研究团队改为使用具有周期性现场电位调制的连接链。他们开发了一种相结构来承载与陈型和异常手性状态相关的多个非平凡拓扑相。然后，该团队将链状蜂窝晶格设计激光蚀刻到二氧化硅上。

       研究人员可通过设计中的节点在不弯曲或拉伸光子线的情况下调制电流。这反过来又可以更好地控制光的流动，从而更好地控制流入光子电路的信息。并通过成像技术和数值模拟证实了他们的发现。在光子波导晶格中进行的实验中，团队发现了一种强约束的螺旋边缘态，由于其起源于块状扁平带，可以在拓扑保护的方式下运动或随意停止，而不影响它对单个晶格位置的粘附。

UCF开发的光子材料克服了目前拓扑设计的缺点，即提供较少的功能和控制，同时通过最小化功率损耗来支持信息包的更长传播长度

        由于双态的拓扑绝缘体设计最大限度地减少了功率损耗，所以它支持更长的信息包传播长度。研究人员认为，相对于传统调制技术，双态拓扑绝缘体提供了更多的功能和控制，有助于推进光计算的实际应用。

       研究人员 Georgios Pyrialakos 说：“双态拓扑绝缘体通过以最小的损失实现光包的安全传输，在光子电路设计中引入了新的范式转变。”

      团队的下一步工作将包括将非线性材料纳入绝缘体的晶格中。Demetrios Christodoulides教授说，该工作可以让研究人员主动控制拓扑区域，让它们能够为光包创建自定义路径。

       随着光子电路的尺寸不断缩小，拓扑绝缘可以在不产生热量的情况下用于具有更强处理能力的电路设计。在未来，拓扑绝缘体可以用来保护并利用脆弱的量子信息比特的能量，实现比传统计算机快数亿倍的量子处理能力。

       该研究发表在 Nature Materials (www.doi.org/10.1038/s41563-022-01238-w) 。