羅斯托克大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的非線性光子電路，其中強光束可以定義自己的路徑，從而使自己不受外界干擾的影響。這一發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在著名的《科學》雜志上。

“光子是不守規(guī)矩的束，”亞歷山大·薩梅特教授(Alexander Szameit)解釋說，他的團隊進行了開創(chuàng)性的實驗。“一旦設法將它們趕到某個特定的時空地點，它們就會立即再次向各個方向擴散。” 確實，數(shù)百年來的研究一直致力于通過多種手段來塑造光的流動：鏡片和曲面鏡可以緊密地聚焦來自太陽的光線。強大的激光產(chǎn)生相干光束和短脈沖強光。和光纖電纜傳送數(shù)量驚人的整個萬維網(wǎng)光學編碼數(shù)據(jù)。然而，光波卻是令人驚訝的微妙的實體：鏡頭上的小裂紋，一束塵埃在激光束中漂移或光纖中的扭結可能會使將光轉(zhuǎn)換成人類有史以來最靈活的工具的復雜機制變得不安。

電子拓撲絕緣體-不會在其內(nèi)部導電的固體，但同時沿其表面卻具有完美的導電性-Laurens Molenkamp及其團隊在維爾茨堡大學于2007年首次通過實驗實現(xiàn)。他們的光子同行讓Szameit教授著迷了很長時間。這位物理學家回憶說：“自從我們首次實現(xiàn)光的拓撲絕緣體以來，我們一直在努力探索如何利用這些特殊的系統(tǒng)。”

盡管光子拓撲絕緣體可以沿著精確定義的路徑引導光，并且其設計所依據(jù)的數(shù)學框架使它們具有對缺陷或外部干擾的前所未有的魯棒性，但這些廣受歡迎的特性也帶來了巨大的障礙。合著者Matthias Heinrich博士總結說：“一旦注入拓撲通道，光脈沖就不會受到散射損失的影響，但是這種絕緣實際上也使它們幾乎不可能在不脫離其保護環(huán)境的情況下得到控制。”社區(qū)。

當然，在紙面上，解決方案似乎很明顯。“從原理上講，這很容易。您所需要的只是一個開關，您可以隨意翻轉(zhuǎn)，以立即在兩個光脈沖之間更改系統(tǒng)的拓撲屬性。” Szameit諷刺說。但是，拓撲結構與波導電路的物理布置有著千絲萬縷的聯(lián)系，而超短激光脈沖的測量單位是飛秒(十億分之一秒的百萬分之一秒)，即使是最快的電子調(diào)制器也無法達到許多數(shù)量級。

在與羅斯托克大學，巴塞羅那ICFO，里斯本大學和莫斯科科學技術學院的理論家密切合作下，年輕的研究人員團隊找到了一種方法，讓光線自行決定是否進行拓撲保護或表現(xiàn)得像在常規(guī)介質(zhì)中一樣。Lukas Maczewsky博士詳細闡述了“根據(jù)其峰值強度，光脈沖的行為可能具有根本不同的方式”。學生和作品的主要作者。“非線性是不可思議的詞：在光子學中，有時二加二實際上不只是四個。” 經(jīng)過兩年的深入研究，并在羅斯托克大學物理研究所的實驗室中進行了無數(shù)小時的研究，這些努力才得以實現(xiàn)。

非線性誘導的拓撲絕緣體(一種新穎的合成材料)允許超過一定閾值強度的光脈沖在其附近建立瞬態(tài)拓撲域。自我稱贊的“星際迷航”迷Szameit生動地描繪了復雜的物理過程：“就像USS Enterprise升起盾牌一樣，自生的保護性繭會跟隨光脈沖并沿其選擇的路徑進行保護。”

成功的國際合作在量子光學領域，尤其是對光子拓撲絕緣體的研究方面，大大促進了基礎科學的發(fā)展。在將這些部件組裝到可用的光學量子計算機之前(世界各地的團體追求的圣杯)，尚需解決幾個挑戰(zhàn)。然而，物理學家的最新發(fā)現(xiàn)為許多創(chuàng)新應用帶來了廣闊前景，例如拓撲保護的全光信號處理和自我完善的光子神經(jīng)網(wǎng)絡。鑒于日新月異的進步，如今看來像科幻小說的這些觀念很快就會成為現(xiàn)實。