北京大学李焱教授团队综述文章。
封面解读
封面描述了基于飞秒激光直写的三维光子集成芯片的制备过程及其主要应用。飞秒激光由物镜聚焦到透明材料内部，刻写出特定排布的三维光波导结构，进而构成三维光子集成芯片。输入光沿着波导演化，其演化规律可由光波导系统的近轴传播方程描述，方程下有两个光子相互缠绕运动的特写，表示芯片可用于光量子信息或模拟难以控制的量子效应。芯片底部有量子线路的特写，表示其可应用于光量子计算领域。
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研究背景
集成光子芯片以光子作为信息载体，在信息传输和处理上具有超高速、低损耗和高并行度等优势。当前主流的二维集成光子芯片制备技术已较为成熟，而三维集成技术可实现集成度的进一步提升。飞秒激光是三维加工的“光刻刀”，可在透明材料中快速“雕刻”任意路径的三维耦合光波导系统，将三维光子集成芯片从图纸变为现实，推动了光量子计算与信息处理、光量子存储、光通信等领域的发展。
同时，基于飞秒激光直写的三维光子集成芯片也可以用于模拟难以控制的量子效应，辅助研究各类复杂的物理现象，目前已成为非互易光子学、非厄米物理、非阿贝尔物理等领域的重要研究平台。
基于光波导的三维光子集成芯片的飞秒激光直写
飞秒激光具有超短的脉冲和极高的峰值功率，通过调节加工时的脉冲能量、重复频率、中心波长等激光脉冲参数，可以引起材料的折射率等光学性质的永久改变，从而按需产生适用于不同波段的光波导。图1为飞秒激光在玻璃内直写波导的示意图，飞秒激光通过加工物镜聚焦到玻璃内部，精确控制样品的移动轨迹，可在玻璃内部产生特定轨迹的光波导，进而构建三维光子集成线路。
图1 飞秒激光在玻璃内直写基于波导的三维光子集成芯片的示意图
三维光子集成芯片的应用——光量子计算
飞秒激光直写技术能够按需制备多种特定功能的基础线路元件，它就像量子世界的乐高大师，可以实现各类光量子计算和量子算法芯片，推动量子信息技术的发展。
量子逻辑门是通用量子计算的核心组件，用于操控量子比特执行任意的量子算法。基于飞秒激光直写技术已实现了多类偏振编码和路径编码的通用量子比特门。如2011年实现的第一个偏振编码CNOT门，2019年实现的路径编码CNOT门，以及2022年实现的片上三量子比特Toffoli门。
飞秒激光直写三维光子芯片也适合专用模拟量子计算的研究。由于光沿波导的传播可以类比为态随时间的演化，飞秒激光直写技术可以灵活地构造三维耦合光波导线路及大型波导阵列，在完成多光子二维连续时间量子行走、量子快速到达算法、哈尔随机酉矩阵生成等特定量子计算任务中展现出显著优势。
量子比特极易受环境噪声的影响，导致量子态退相干，从而破坏计算过程。基于飞秒激光直写技术构造具有拓扑保护的光波导晶格结构，利用拓扑保护边界态，可实现性能稳定且对系统缺陷具有高度抗性的光量子芯片。比如2018年基于一维AAH模型的HOM干涉的实现、2022年基于二维SSH晶格内高阶拓扑角态对双光子纠缠的保护、2023年在具有分形几何结构的光子反常Floquet 拓扑绝缘体内实现的关联光子对激发下单光子手性内外边界态的鲁棒传输等等，都展现了飞秒激光直写三维光子芯片对拓扑光量子计算的推动作用。
图2 飞秒激光直写三维光子集成芯片用于光量子计算。（a）偏振编码的CNOT门；（b）路径编码的H门和CNOT门组合芯片制备路径编码贝尔态；（c）三维构型路径编码三量子比特Toffoli门；（d）全同三光子的二维连续时间量子行走；（e）量子快速到达算法；（f）基于随机量子行走生成哈尔随机酉矩阵；（g）一维非对角AAH阵列实现HOM干涉；（h）高阶拓扑双光子角态；（i）谢尔宾斯基地毯分形反常Floquet拓扑绝缘体及其内（蓝、绿）外（红）边界态
三维光子集成芯片的应用——非经典物理现象模拟
光波导系统中的近轴传播方程与薛定谔方程在数学形式上具有深刻的相似性，这一特性使得飞秒激光三维直写技术能够将含时演化的量子哈密顿量精确映射到耦合波导体系中。通过精确调控加工参数，可以实现对波导间耦合系数、传播常数以及损耗因子的空间依赖性调制，从而构建出高度可控的量子模拟平台。这种三维光子集成芯片为研究非经典物理现象提供了理想的实验载体，并衍生出一系列创新的量子调控方法。
在非互易拓扑光子学领域，单向传输的拓扑边界态因其背向散射完全抑制的特性而备受关注。理论研究表明，通过设计螺旋波导阵列或引入周期性折射率调制，可以在光波导系统中构造等效人工磁场，进而实现拓扑保护的单向边界态传输。这种调控手段为光通信和量子信息处理提供了新的技术路径。
非厄米系统描述的是与环境发生能量交换的开放系统，光波导系统是研究非厄米现象的重要实验平台，飞秒激光直写技术可以通过制备分段波导、弯曲波导或在波导内部引入散射点的方式在玻璃内制备无源非厄米光子芯片，在研究宇称-时间对称、动态包围奇异点、非厄米能带拓扑以及非厄米对拓扑绝缘体性质的调控等方面取得了丰富的成果，为深入理解非厄米物理及其潜在应用提供了重要的理论支持和实验基础。
非阿贝尔现象源于量子态的几何相位积累过程，具有路径依赖性。通过精心设计简并多态系统的绝热演化过程，可以产生非阿贝尔几何相位，进而在光子系统中实现非阿贝尔编织和非阿贝尔索利斯泵浦等新颖的量子调控效应，飞秒激光直写三维光波导阵列为此提供了绝佳的研究平台。
图3 飞秒激光直写三维光子集成芯片用于非经典物理现象模拟。（a）光子Floquet拓扑绝缘体；（b）Floquet 宇称-时间对称系统；（c）基于动态包围奇异点的本征态产生；（d）二维对角非厄米SSH阵列结构及其角态分布；（e）一维非厄米趋肤效应的观察；（f）两模编织（左）和三模非阿贝尔编织（右）系统；（g）二维非阿贝尔索利斯泵浦光波导系统
总结与展望
由飞秒激光直写技术构造的三维光子集成芯片不仅在光量子计算领域展现出巨大潜力，同时也是研究各类复杂非经典物理现象的理想载体，更是连接基础研究和实际应用的桥梁，为设计高稳定性芯片、实现超大容量光通信和灵活光操控提供了全新思路。
飞秒激光直写三维光子集成芯片走向实用化还面临一些挑战，包括集成度提高受限、增益难以实现、可调谐性差和非线性响应弱等。为此，需探索优化制备手段在缩小器件尺寸的同时减小传输损耗；开发诸如激光晶体等增益介质内部的加工来构造增益非厄米系统；将易于调谐的硅基、铌酸锂基等材料与玻璃基三维芯片进行互联，结合异质材料芯片体系各自的优势，实现高性能可调谐光量子集成芯片；将二维材料与玻璃基底相结合来弥补玻璃低非线性响应的问题。
总之，随着飞秒激光直写技术加工手段的不断优化、新材料的应用以及光互连手段的开发，飞秒激光直写三维光子集成芯片将成为探索新物理的重要平台，为开辟新应用提供基础。
作者简介
李焱，北京大学物理学院教授。1989年、1994年、1997年分别在哈尔滨工业大学获学士、硕士、博士学位。1989-2003年，哈尔滨工业大学物理系教师；2000-2003年，日本大阪大学博士后；2003年至今，北京大学物理学院教师。政府特殊津贴专家，全国优秀科技工作者，中国光学学会会士。长期从事飞秒激光三维微纳制造和光场调控研究，利用基于空间光调制器和超表面的焦场整形提高飞秒激光三维微纳制造性能。先后担任国家重大科学研究计划项目和课题，国家重点研发计划项目课题，国家自然科学基金委重大项目课题和重点项目等负责人。
期刊简介
1964年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所主办、中国激光杂志社出版，是国内激光领域的第一本期刊。2019年出版我国光学界第一本半月刊，继而又出版“先进成像”专题子刊。目前被EI、ESCI、Scopus、INSPEC 、CSCD 、中文核心期刊、中国科技核心期刊等收录，位列中国科学院期刊分区3区和《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》T2级。获得 “中国精品科技期刊 ”“ 华东地区优秀期刊”“ 中国最具国际影响力学术期刊”“中国科学院出版基金中文科技期刊择优支持项目”等荣誉。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划”支持期刊。
