據(jù)悉，金賢敏團隊在國際上首次在光芯片內(nèi)制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導(dǎo)，并實現(xiàn)在波導(dǎo)內(nèi)高效和高保真地傳輸。這項研究進(jìn)展使得未來在光子集成芯片內(nèi)高效利用光子軌道角動量這一新興的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術(shù)芯片化集成化打開了大門。

近年來，由于扭曲光(twisted light)獨特的特性，具有“甜甜圈”分布的強度結(jié)構(gòu)，螺旋型波陣面的位相結(jié)構(gòu)，攜帶軌道角動量的動態(tài)特性，使其被廣泛地應(yīng)用于光束縛、光操縱以及光鉗等領(lǐng)域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓?fù)浜珊蛢?nèi)在的正交性，可以為模式多路分發(fā)提供巨大的資源，用于解決通信系統(tǒng)上信道容量緊縮的問題。而在量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域，光子軌道角動量，作為內(nèi)稟的無限維的自由度，可將其用于分發(fā)高維的量子態(tài)以及構(gòu)建高維希爾伯特空間的量子計算。

金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術(shù)制備了首個波導(dǎo)橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動量波導(dǎo)光子芯片，使得軌道角動量這一新興自由度在芯片內(nèi)操控得以在實驗中首次實現(xiàn)。這也將促進(jìn)未來光子集成芯片上高維量子信息與高維量子計算的實現(xiàn)。

研究人員通過三維飛秒激光直寫技術(shù)得到的“甜甜圈”波導(dǎo)可以有效地將簡并的軌道角動量模式分開。此“甜甜圈”型波導(dǎo)是由12根相互之間有輕微重疊的波導(dǎo)和高折射率芯所組成的。通過測量從芯片出來的扭曲光與參考光的干涉以及對芯片前后的態(tài)作投影測量，實驗驗證了此波導(dǎo)可以高效高保真地傳輸?shù)碗A軌道角動量模式，特別是傳輸總效率高達(dá)60%。對于高階模式，目前加工出來的波導(dǎo)，會讓其轉(zhuǎn)化為低階模式。同時實驗發(fā)現(xiàn)，此波導(dǎo)也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態(tài)，超越了傳統(tǒng)的兩比特的“qubit”態(tài)。這暗示著此波導(dǎo)將很有潛力可以用于高維量子態(tài)的傳輸與操控。