近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士课题组与香港大学张霜教授合作，在波导阵列拓扑光学方面取得重要进展，他们在三维多层集成的硅光子芯片上演示了基于绝热捷径策略实现的快速非阿贝尔编织效应，并实现了单比特任意逻辑门，为未来的CMOS兼容的紧凑型非阿贝尔光子集成器件奠定了基础。
在乙巳蛇年春晚节目中，筷子勺子与杯子的魔术给人留下了深刻的印象。从数学的角度来看，三者之间的相互交换可以由编织群B3 来进行描述，属于非阿贝尔操作（交换次序影响结果）。在日常生活中，非阿贝尔编织现象广泛存在，比如编辫子(B3)、编花篮(Bn)等等（见图1）。除此之外，非阿贝尔现象在高能物理、凝聚态物理以及光声经典波系统等多个领域中广泛存在，其核心特征是不可交换性，使得非阿贝尔系统的物理学比阿贝尔系统复杂得多。典型实例包括非阿贝尔规范场、非阿贝尔任意子及其统计特性，以及非阿贝尔拓扑荷等。特别是在二维凝聚态系统中，非阿贝尔任意子的存在引起了广泛关注。当这些任意子通过其世界线交织时，其波函数交换行为由一个不同于费米子或玻色子的幺正矩阵表示。这些任意子可被编码为量子比特，从而实现量子逻辑和容错拓扑量子计算，但其动态缠绕在实际实现中具有挑战性。
近年来，非阿贝尔编织现象已扩展到光和声的经典波系统，表现为Berry-Wilczek-Zee（BWZ）相位的多模几何效应，这是标量Berry相位的矩阵推广。在光子学和声学领域，具有非阿贝尔特性的多态编织已经成功实现。尽管这些操作在光子量子逻辑等应用中具有巨大潜力，但绝热条件的限制使得其实际应用变得困难。构建紧凑型光子非阿贝尔系统对于研究复杂的非阿贝尔现象和开发实用的光子器件具有重要意义。硅上绝缘体（SOI）光波导系统具有高密度集成的优势，但由于编织结构的复杂性（通常需要三维结构），在硅基集成光子芯片中实现这些结构仍然是一大挑战。南大-港大联合团队的前期工作中（Sci. Adv. 10, eadn5028 (2024)），已开发出双层硅波导体系演示了拓扑泵浦效应，为进一步构建复杂非阿贝尔光子结构提供了可能性。
在本研究中，研究团队提出并构建了一种基于SOI平台的三层硅波导结构，成功演示了快速非阿贝尔编织效应以及X、Y和Z单比特逻辑门。该多层集成波导最简单的编织模型（B2）包含三个主波导（A, B, S）和一个辅助波导（X），通过倏逝波耦合形成受手性对称保护的两个简并零模式。如图2所示，该编织过程（B2）由三个步骤组成，这些步骤驱动两个简并的零模式在整体绝热演化中带来几何相位，实现Y门操作。
为了应对绝热演化过程器件过长的问题，团队提出采用绝热捷径（Shortcut to Adiabaticity, STA）的策略。该策略可以加速缓慢的绝热演化过程，确保系统即便在快速演化中仍能达到正确的目标状态。具体而言，研究人员首先将系统映射到一个有效的双能级系统，然后应用STA方法，添加反绝热项到原始哈密顿量，最终实现了一个实际可行的STA编织系统。实验结果表明，STA策略显著缩短了编织过程所需的距离（近4倍距离的缩短），在紧凑的体系中成功实现了Y门操作，并验证了π相差的几何相位效应（图3）。除了Y门之外，研究人员利用相同的STA策略设计实现了紧凑的X、Z等逻辑门。
此外，研究人员还将该STA结构扩展到三模式编织（B3），以观察其非阿贝尔性质。如图所示，在G2G1编织过程中，可以观察到光子从一个位置移动到另一个位置的规律，如从C到B、从B到A、从A到C。相反，当改变编织顺序为G1G2时，光子会向相反方向移动，即从A到B、从B到C、从C到A。这些实验结果验证了编织过程的非阿贝尔性，即不同的编织顺序会导致不同的结果。在此过程中，STA方法显著缩小了器件的尺寸，便于实现可扩展和复杂的非阿贝尔光子器件网络。
这一研究展示了STA策略在光子芯片上进行更快、更紧凑的非阿贝尔操作的潜力。实现的器件尺寸相比以前减少近三个数量级，为紧凑、CMOS 兼容的非阿贝尔光子集成铺平了道路。
图1. 在三层集成硅波导中利用绝热捷径策略实现快速编织效应
图2. Y逻辑门的理论与实验实现 (B2)
图3. 非阿贝尔编织模拟与实验结果 (B3)
