据美国《物理评论快报》网站近日报道,上海交通大学金贤敏团队研制出了全球首个轨道角动量(OAM)波导光子芯片.这是首次在光芯片内制备出可携带光子OAM自由度的光波导,并实现光子OAM在波导内高效和高保真地传输.最新研究作为亮点文章在网站首页被重点推荐,有望在光通信和量子计算等领域“大显身手”.

近年来,由于扭曲光(twisted light)具有“甜甜圈”分布的强度结构、螺旋型波阵面的位相结构、携带OAM的动态特性,被广泛用于光操纵、光钳等领域.不同于光的自旋角动量,OAM拥有无限的拓扑荷和内在正交性,可用于解决通信系统信道容量紧缩的问题.而在量子信息等领域,光子OAM可用于分发高维量子态以及构建高维量子计算机.

但大规模应用OAM需要将其传输、产生及操纵一体化,而此前的研究均无法让OAM存在于芯片内部.

在最新研究中,金贤敏团队通过飞秒激光直写技术,制备了首个波导横截面为“甜甜圈”型的三维集成OAM波导光子芯片.通过测量从芯片出来的扭曲光与参考光的干涉,以及对芯片前后的态进行投影测量,实验证实,此波导可高效高保真地传输低阶OAM模式,传输总效率达60%;且该波导会将高阶模式转化为低阶模式.此外,该波导也可高保真地传输三比特的“高维量子比特(qutrit)”态,超越传统两比特的“量子比特(qubit)”态,表明此波导有潜力用于高维量子态的传输与操控.

金贤敏希望该芯片首先能用于高通量光通信领域;而英国圣安德鲁斯大学光操控专家基山·多拉基亚认为,新芯片有望为量子光学和成像等领域开辟新天地.据悉,该团队已为该波导芯片向国家知识产权局申请了发明专利.