导读

中国科学技术大学郭光灿院士团队在片上合成频率维度领域取得重要进展，该团队李传锋、唐建顺等人，提出并在单个薄膜铌酸锂光芯片上实现了一种混合频率维度模拟器架构。这种频率维度模拟器架构的特点是将环形谐振器模式内与模式间的频率格点进行了结合，能够实现包含对称、非对称以及长程耦合的丰富的晶格模型的模拟。具体来说，我们在单个薄膜铌酸锂光芯片上模拟了包括 Hall 梯子、Creutz 梯子以及 Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型。实验结果表明，我们能够直接读出 SSH 模型的能带结构，这一点有别于以往的研究工作；此外，还在更低实验要求下观测到了自旋-动量锁定、拓扑平带以及Aharonov–Bohm 笼效应等重要物理现象。进一步地，我们提出通过对器件进行级联，还可以实现分段连续的光移频等应用。我们的研究为未来构建具备丰富耦合形式的大规模片上复杂模拟器提供了重要的思路与前景。

相关成果以“A hybrid-frequency programmable synthetic-dimension simulator with rich coupling on a single chip”为题发表于国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上。量子网络安徽省重点实验室曾晓东博士、汪兆安博士（现为粤港澳量子科学中心助理研究员）、任佳明博士为论文的共同第一作者，通讯作者为中国科学技术大学李传锋教授、唐建顺教授以及王轶韬副教授。

研究背景

利用合成维度，可以在低维平台研究高维物理现象，是近年来拓扑光子学与量子模拟领域的前沿方向。在光子学领域，构建合成维度的一种广泛采用的方法是通过频域来实现的，其核心思想是将光场的不同频率模式视为离散的“晶格节点”，通过外部调制（如电光调制或声光调制）在不同频率模式之间引入可控耦合，进而构建出丰富的高维晶格模型，这使得我们可以在简单的系统里面探索传统材料体系难以构建的晶格模型。而得益于基于薄膜铌酸锂的光电融合平台的发展，在芯片级平台上实现合成频率维度可以提供更高的可编程性、可扩展性以及更高的运行稳定性。而为了实现对更丰富晶格模型的模拟，需要构造更高的晶格维度、更多的晶格耦合类型（例如非对称耦合），去实现对更丰富的拓扑物态的模拟，从而实现更强大的哈密顿量模拟器，这是领域的重要发展方向。

研究创新点

针对上述挑战，课题组提出了一种混合频率维度模拟器架构。这一架构的最大创新之处在于其在拥有模式内频率格点的灵活的格点构建能力的基础上，可以引入非对称耦合（前向跃迁和后向跃迁非共轭），从哈密顿量来看这可以引入k空间哈密顿量非对角项的虚部项，这意味着我们能够对含有更丰富拓扑物态的晶格模型进行模拟，并且是在单个薄膜铌酸锂光芯片上实现（如图1所示）。作为示例，我们首先验证了混合频率维度模拟器架构对以往的方法的兼容性，实现了对 Hall梯子、Creutz梯子以及它们在加入长程耦合下的扩展模型的实现，此外利用Creutz梯子模型在拓扑平带时的Aharonov–Bohm 笼效应我们演示了对光频谱的移频和光分束应用（如图2所示）。随后我们构建了SSH模型来验证我们的系统对非对称耦合构建的能力，通过理论、仿真和实验得到的能带信息展现了很好模型构建正确性（如图3所示）。本工作为大规模复杂晶格模型的合成频率维度模拟提供了一个强大的方法。

图1：模式内频率格点构建示意图，以及测控系统、电光芯片示意图。

图2：Hall阶梯和Creutz阶梯模型的模式内频率格点的直接实现，对AB笼效应的直接观测，以及利用AB笼效应的分段连续光移频应用。

图3：利用混合频率维度架构直接实现 SSH 模型模拟。

研究应用

能够实现更丰富的晶格耦合类型是合成频率维度领域的研究热点，随着研究的不断深入对复杂模型的模拟要求系统有更强大的高维复杂耦合的构建能力，而本工作便展现了这样的可扩展性，展现了合成频率维度在基础物理研究中的重要意义。同时，合成频率维度还展现出广阔工程应用前景，例如在光通信与信号处理方面，可以利用频率维度的可编程耦合实现高效的频率转换、频谱整形以及光隔离等，通过光谱目标导向的逆向设计，利用频率维度可以为片上光脉冲提供工程化的设计方法。

总结与展望

该工作提出的混合频率维度模拟器架构有别于以往的工作，除了我们在本工作中展示的对称耦合以及非对称耦合的可编程构建能力，这种架构还拥有模式内频率格点的高维格点构建能力以及长程耦合构建优势，同时还能兼具模式间频率格点的边界构建能力。在未来，通过将本工作的内容扩展到高维系统可以实现对高维拓扑绝缘体模型、自旋量子霍尔效应、高维非阿贝尔模型等进行模拟研究。同样重要的是，本工作利用频率格点的拓扑效应能够实现谱工程应用，在工本工作中实现的是分段连续的光移频应用，而对连续光泵浦的大范围光移频应用一直未能实现，未来将拓扑光子学的思想继续应用于光的频率格点上，期望能在不久的将来实现各种谱工程的应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02309-2