中國科大郭光燦院士團隊在片上光學合成頻率維度領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、唐建順等人提出在基于諧振器耦合陣列的合成頻率維度模擬器中，采用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)替代傳統的固定分束器進行耦合鏈接，從而在頻率格點之間引入更豐富的耦合類型。并在實驗上以雙諧振環結構作為示例，實現了對一維緊束縛晶格、霍爾梯子、克魯茲梯子等模型的模擬，驗證了該方法的多功能性。該成果8月20日以“Versatile photonic frequency synthetic dimensions using a single programmable on-chip device”為題發表在國際知名期刊《自然?通訊》上。
 

　　使用可控的光學系統對復雜的物理模型進行模擬，可以研究難以直接得到的材料和體系的性質，這對于驗證物理理論以及預測物理現象具有重要意義。合成頻率維度模擬器是其中重要研究方向。在以往的合成頻率維度工作中，人們常采用固定分束器來耦合環形諧振器，這引入了不同環形諧振器的頻率格點之間的耦合，但是這種耦合通常是固定的，限制了合成頻率維度模擬器的靈活性和豐富性。因此，實現一種擴展性和重構性更好的耦合架構，是利用合成頻率維度來實現更豐富的模型模擬能力的關鍵。同時，得益于高的電光系數和光子器件制備技術的發展，片上薄膜鈮酸鋰平臺天然地適合用于構建光子的合成頻率維度模擬器。
 

　　在本工作中，研究組為了解決這一領域長期存在的困難，提出采用MZI干涉儀輔助環形諧振器進行耦合的方案，從而可以任意調控環形諧振器的耦合強度。更進一步，通過在MZI上施加射頻調制信號可以在不同空間維度上的頻率格點之間引入交叉耦合。在實驗上，研究組以雙諧振器模型為例，制備了相應的薄膜鈮酸鋰光子芯片。通過控制器件的直流和射頻參數實現了諸如一維緊束縛模型、霍爾梯子模型，并首次在光子合成頻率維度領域中實現了克魯茲梯子模型的模擬。模擬觀察到自旋動量鎖定、拓撲平帶、阿哈羅諾夫-玻姆籠效應等現象。研究組提出的耦合配置架構極大地豐富了頻率維度格點的可控耦合類型，實驗結果展示了這種配置模擬復雜模型的強大潛力。
 

圖1. 利用合成頻率維度對晶格網絡進行配置模擬以及實驗裝置示意圖。
 

圖2. 實驗觀測的克魯茲梯子模型的能帶以及阿哈羅諾夫-玻姆籠效應。
 

　　本工作解決了光子合成頻率領域長期存在的一個開放性問題，同時在實驗上進行了驗證。工作中提出的配置豐富了可控耦合的類型，對于實現大規模可編程晶格模型的模擬至關重要，并顯著提高了模擬器的多功能性。
 

　　審稿人高度評價該成果“The paper is sound and well-reasoned in that it addresses one of the challenges in frequency dimensions that have remained unsolved till now(這篇論文是合理且論證充分的，它解決了頻率維度中至今仍未解決的難題之一)”。”The demonstration of the Creutz ladder is among the first ones in synthetic dimensions, and probably the first one in photonic frequency dimensions(這是在合成維度演示克魯茲梯子模型的早期工作之一，可能是第一個在光子頻率維度中實現的)”。
 

　　量子網絡安徽省重點實驗室博士生汪兆安、博士生曾曉東、副教授王軼韜為論文的共同第一作者。該工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省和中國博士后基金的資助。唐建順感謝中國科學院青年創新促進會的支持。