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12月7日，国际物理学权威期刊《物理评论快报》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”为题发表了上海交通大学金贤敏团队最新研究成果，报道了世界上首个轨道角动量（OAM）波导光子芯片。并且同时作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮点文章（highlighted article）在PRL网站首页重点推荐，美国物理学会的《物理》期刊也做了同步发表亮点文章。
这是首次在光芯片内制备出可携带光子轨道角动量自由度的光波导，并实现在波导内高效和高保真地传输。这项研究进展使得未来在光子集成芯片内高效利用光子轨道角动量这一新兴的的自由度成为可能，为基于光子轨道角动量自由度的光信息以及量子信息技术芯片化集成化打开了大门。研究组发表文章前已经为该波导芯片申请了发明专利。
带有螺旋形波阵面的轨道角动量光子通过芯片内的波导
显微镜下所观察到的“甜甜圈”型波导的横截面，波导直径约为10微米
近年来，由于扭曲光（twisted light）独特的特性，具有“甜甜圈”分布的强度结构，螺旋型波阵面的位相结构，携带轨道角动量的动态特性，使其被广泛地应用于光束缚、光操纵以及光钳等领域。不同于光的自旋角动量，轨道角动量拥有无限的拓扑荷和内在的正交性，可以为模式多路分发提供巨大的资源，用于解决通信系统上信道容量紧缩的问题。而在量子光学与量子信息领域，光子轨道角动量，作为内秉的无限维的自由度，可将其用于分发高维的量子态以及构建高维希尔伯特空间的量子计算机。
大规模地应用轨道角动量超越原理性的验证迫切地要求发展集成器件将轨道角动量传输、产生以及操纵于一体化。之前的工作，不论是利用可控的位相阵列，还是微环共振腔产生轨道角动量，均是将轨道角动量辐射到自由空间中，无法存在于芯片内部。金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了首个波导横截面为“甜甜圈”型的三维集成的轨道角动量波导光子芯片，使得轨道角动量这一新兴自由度在芯片内操控得以在实验中首次实现。这也将促进未来光子集成芯片上高维量子信息与高维量子计算的实现。
传统的波导，由于其有效折射率过小而不能分开几乎简并的轨道角动量模式。研究组通过三维飞秒激光直写技术得到的“甜甜圈”波导可以有效地将简并的轨道角动量模式分开。此“甜甜圈”型波导是由12根相互之间有轻微重叠的波导和高折射率芯所组成的。通过测量从芯片出来的扭曲光与参考光的干涉以及对芯片前后的态作投影测量，实验验证了此波导可以高效高保真地传输低阶轨道角动量模式，特别是传输总效率高达60%。对于高阶模式，目前加工出来的波导，会让其转化为低阶模式。同时实验发现，此波导也可以高保真地传输三比特的“qutrit”态，超越了传统的两比特的“qubit”态。这暗示着此波导将很有潜力可以用于高维量子态的传输与操控。
审稿人对该项成果给予了高度评价：
  • “the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首个在芯片的波导上演示了轨道角动量的传输实验），
  • “the first OAM carrying waveguide chip”（首个可携带轨道角动量的波导芯片），
  • “first promising steps towards integrated structures for OAM-carrying light and also might be considered an important step for the twisted light and optics community”（首个迈向轨道角动量集成结构的有前景的一步，同时对于整个光学领域和扭曲光来说是重要的一步）。
由于此项研究的重大意义，国际物理学权威期刊《物理评论快报》不仅将金贤敏团队的这篇文章遴选为编辑推荐，同时还邀请了过去20年来一直在国际顶级期刊《Nature》做编辑的Philip Ball撰写了 Twisted Light in a Photonic Chip [Physics 11, 125 (2018)]进行深入报道。
（点击https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.233602可查看论文原文。）
（点击https://physics.aps.org/articles/v11/125查看Philip Ball的报道原文。）
研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭，感谢中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委和上海交大致远学院的大力支持。
上海交通大学光子集成与量子信息实验室
诚聘助理教授，师资博士后和工程师
量子通信技术已经走到快速产业化的关口，量子计算技术也临近突破的转折点，谷歌、微软、因特尔、阿里等跨国公司纷纷投入巨资并设立研究中心。无论是量子通信还是量子计算，芯片化集成是量子信息技术真正走向广泛应用的必由之路，是战略性的方向。以英美为代表的发达国家提前布局量子芯片并连续获得突破，而在这新一轮的量子技术革命中，中国作为一个大国，“缺芯”不能再重演。
金贤敏2014年11月回到上海交大组建了光子集成与量子信息实验室，致力以光量子集成芯片为核心，以专用光量子计算、量子人工智能、空海量子通信和室温宽带量子存储技术为重要出口，展开特色鲜明的创新研究，推动量子信息技术芯片化、集成化和产业化。实验室经过3年多的技术和工艺积累，从2018年5月份开始陆续在国际权威期刊上发表高水平研究成果：
  • 5月实现了世界最大规模的三维集成光量子计算芯片，并演示了首个真正空间二维量子行走 [Science Advances 4, eaat3174 (2018)]；
  • 6月将机器学习技术应用于解决量子信息难题，实验实现了基于人工神经网络的量子态分类器 [Physical Review Letters 120, 240501 (2018)];
  • 7月验证了宽带量子光源内嵌的光与原子干涉接口可以在室温环境下运行，解决了室温量子存储和量子光源匹配性和一体化问题 [npj Quantum Information 4, 31 (2018)]；
  • 10月实现了首个基于光子集成芯片的物理系统可扩展的专用光量子计算原型机 [Nature Photonics 12, 754 (2018)]；
  • 12月实现世界上首个轨道角动量波导光子芯片 [Physical Review Letters 121, 233602 (2018)]；
  • 12月在环形光子晶格中观察到宇称诱导的光子热化带隙[Physical Review Letters, accepted (2018)]。
更多实验室情况详见：http://quantum.sjtu.edu.cn
实验室欢迎有志于量子信息技术芯片化集成化的年轻人加入我们, 具有量子光学、集成光学、计算机、信息安全、高速电子电路、和硬件编程等背景者优先。特别欢迎具有硅基和铌酸锂微纳加工和设计经验者，开展与本实验室飞秒激光直写技术兼容的混合集成光量子集成技术。解决上海户口，提供有竞争力的待遇，面议，本广告长期有效！ 
联系人：金贤敏
Tel：18321059392 (微信同号)
Email：[email protected]
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