日前，吉林大學電子科學與工程學院、集成光電子學國家重點實驗室陳岐岱教授團隊在《自然·通訊》(Nature Communications 15,9311(2024))上發表題為“Two-dimensional non-Abelian Thouless pump”的研究論文。該工作設計并制備了二維非阿貝爾索利斯泵立體光芯片，為片上高魯棒性光互連和光計算等應用提供了解決方案。
 

　　索利斯泵可以通過絕熱變化的周期性勢能實現粒子的量子化傳輸，其過程受到系統希爾伯特空間拓撲性質的保護，所獲得的貝里幾何相位矩陣具有全局效應。因此，該傳輸過程對局部干擾具有免疫性，相應的器件表現出高魯棒性。近年來，非阿貝爾物理被引入索利斯泵的設計，催生了非阿貝爾索利斯泵。基于非阿貝爾和樂原理，器件的輸入輸出之間通過Wilczek-Zee連接和幾何相位矩陣相互關聯，導致最終結果取決于泵浦的順序，即非交換性。非阿貝爾索利斯泵的特性使其在光子學中，特別是光互連和光計算等領域展現出了十分重要的潛力。然而，當前的非阿貝爾索利斯泵僅為一維系統，高維非阿貝爾索利斯泵的研究仍處于探索階段。推動非阿貝爾和樂原理向高維發展，不僅有助于研究高維拓撲系統中的非阿貝爾物理現象，更能夠進一步擴展其在光子學領域的應用。
 

　　針對上述問題，研究團隊首先在理論上通過兩個阿貝爾群的直積，生成了與二維非阿貝爾索利斯泵相關的非阿貝爾群，并從群的角度揭示了一維阿貝爾索利斯泵、一維非阿貝爾索利斯泵以及二維非阿貝爾索利斯泵的群表示?？紤]到芯片的實際架構，研究團隊設計了具有6個光波導組成原胞的二維光波導陣列，通過調控波導間的耦合系數并輸入簡并光子態，即可以對光子態進行Wilczek–Zee和樂變換，實現光子態的二維非阿貝爾索利斯泵浦。研究團隊設計了兩種不同的光子態轉化路徑，通過對輸出光場的光強分布進行表征，可以得到每種泵浦模式對應的幺正矩陣。通過組合不同的泵浦方式，可以把輸入的簡并光子態絕熱地泵浦到任意一個簡并光子態。為表征這種二維索利斯泵的非阿貝爾特性，研究團隊以不同的順序連接兩種泵浦，觀察到不同的組合方式會對最終的輸出結果產生影響，這證實了器件的非阿貝爾特性和與泵浦方式相關聯的幺正矩陣變換。更進一步，研究團隊利用引入了缺陷的實驗證實了這種二維非阿貝爾索利斯泵具有魯棒性：在傳播常數或耦合系數存在擾動時，由于器件受到拓撲保護，光子態運輸的路徑可以免疫局部干擾。該器件可充分利用立體光芯片的三維特性實現光子態的拓撲傳輸，為片上高魯棒性光互連和光計算等應用提供了解決方案。
 

圖：二維非阿貝爾索利斯泵的設計及泵浦實驗結果
 

　　上述研究成果的唯一完成單位是吉林大學。論文的第一作者為電子學院博士研究生孫怡可，共同通訊作者為電子學院張旭霖教授和田振男教授。本工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。