摘要：近日以吉林大学为第一单位的研究团队在集成光子学（Integrated Photonics）与拓扑光子学（Topological Photonics）的交叉领域研究取得重大进展，相关成果以：Reconfigurable non-Abelian integrate

近日以吉林大学为第一单位的研究团队在集成光子学（Integrated Photonics）与拓扑光子学（Topological Photonics）的交叉领域研究取得重大进展，相关成果以：Reconfigurable non-Abelian integrated photonics为题发表于光子学顶级期刊《Nature Communications》该研究是理论与应用紧密结合的典范：理论层面：深化了非阿贝尔物理在光子系统的实现机制；应用层面：为光量子计算、抗干扰光通信及光子处理器提供了新型器件原型。第一作者为：Shijie Sun, Xibin Wang.

非阿贝尔物理通过不可交换的对称操作（如非阿贝尔和乐过程）在基础物理与前沿领域（如拓扑量子计算）中具有核心地位。光子学凭借其自由度优势成为实现非阿贝尔现象（如规范场、几何相位矩阵）的理想平台，可为集成光子芯片提供宽带鲁棒的新设计方案。然而，现有基于动态相位的谐振器件存在带宽窄、抗扰性差的局限，且非阿贝尔器件的可重构性尚未突破，制约其实际应用。

本研究提出通用可重构方案，在双层聚合物光子芯片上实验实现多光子模式非阿贝尔编织。通过热光效应调控波导折射率，操纵由可调谐双模单元构成的非阿贝尔几何相位矩阵，在单一四模芯片中编程生成24种编织群B₄酉矩阵（形成S₄置换群）。该方案为开发面向多样应用（如光学/量子计算）的可编程非阿贝尔集成光子器件奠定基础。

解决的问题

1、传统器件的局限性
当前集成光子器件（如定向耦合器、微环谐振器）依赖动态相位和谐振效应，导致工作带宽窄、性能易受扰动影响。

2、非阿贝尔器件的瓶颈
非阿贝尔几何相位矩阵虽能实现宽带鲁棒光子芯片，但其可重构性尚未突破，阻碍实际应用。

提出的方法

1、核心机制
利用热光效应调控波导折射率→改变系统哈密顿量→操纵和乐诱导的非阿贝尔几何相位矩阵。

2、器件设计

采用双层聚合物集成平台（波导尺寸：4.5×4 μm²，层间距5.4 μm）。

以可调谐双模编织单元为基本模块，每个单元集成电极加热器。

通过加热器开关切换TB工作状态。

实现的效果

1、功能演示

三模器件：生成6种酉矩阵（构成置换群S₃）。

四模器件：集成6个TB单元，通过调制生成24种酉矩阵（覆盖编织群B₄的子群S₄）。

双模单元：实现光模式交换（电极关）与直通（电极开），工作带宽1500–1630 nm，消光比>14 dB。

2、性能指标

响应时间：~1 ms。

传输损耗：波导传播损耗1.9 dB/cm，光纤耦合损耗1.4 dB。

创新点

1、首证片上可重构性
首次在集成光子芯片实现非阿贝尔器件的动态编程，突破可重构技术瓶颈。

2、通用解决方案
热光调控机制可扩展至任意模式数及SO(N)群酉矩阵。

3、应用潜力

为拓扑量子计算提供可编程光子平台。

赋能宽带抗扰的光学矩阵计算。

4、材料与架构创新
双层聚合物波导设计结合热光调制，为低损耗量子应用（如换用低损耗聚合物）奠定基础。

总结

本文通过热光效应调控哈密顿量，在双层聚合物芯片上首次实现可重构非阿贝尔集成光子器件，成功演示四模编织（24种酉矩阵）。该方案解决了非阿贝尔器件的动态编程难题，兼具宽带、鲁棒、可扩展特性，为光量子计算与新型光子处理器开辟新路径。

图1：可重构非阿贝尔光子芯片示意图

图2：可调谐二维编织基本单元物理原理图

图3：可调谐二维编织基本单元的实验验证

图4：可重构三模非阿贝尔编织器件的实验验证

图5：可重构四模非阿贝尔编织器件的实验验证

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来源：凯视迈精密测量