[论文解读] Protecting Quantum Superposition and Entanglement with Photonic Higher-Order Topological Crystalline Insulator

Yao Wang, Biye Xie+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文通过飞秒激光直写技术实验验证了光子高阶拓扑结晶绝缘体可保护单光子量子叠加态与纠缠光子态，使其免受扩散引起的退相干影响。通过设计具有$C_4$和$C_2$对称性的晶格并结合单光子成像，研究揭示了拓扑保护的角态，能够保持量子相干性，从而为量子信息系统的拓扑保护提供了稳健机制。

ABSTRACT

Higher-order topological insulator, as a newly found non-trivial material and structure, possesses a topological phase beyond the bulk-boundary correspondence. Here, we present an experimental observation of photonic higher-order topological crystalline insulator and its topological protection to quantum superposition and entanglement in a two-dimensional lattice. By freely writing the insulator structure with femtosecond laser and directly measuring evolution dynamics with single-photon imaging techniques, we are able to observe the distinct features of the topological corner states in C_4 and C_2 photonic lattice symmetry. Especially, we propose and experimentally identify the topological corner states by exciting the photonic lattice with single-photon superposition state, and we examine the protection impact of topology on quantum entanglement for entangled photon states. The single-photon dynamics and the protected entanglement reveal an intrinsic topological protection mechanism isolating multi-partite quantum states from diffusion-induced decoherence. The higher-order topological crystalline insulator, built-in superposition state generation, heralded single-photon imaging and quantum entanglement demonstrated here link topology, material, and quantum physics, opening the door to wide investigations of higher-order topology and applications of topological enhancement in genuine quantum regime.

研究动机与目标

• 研究高阶拓扑结晶绝缘体在光子晶格中保护量子叠加态与纠缠态的作用。
• 实验实现并表征具有$C_4$和$C_2$对称性的二维光子晶格中的拓扑角态。
• 证明在拓扑保护框架下，量子态对扩散引起的退相干具有强鲁棒性。
• 在光子量子系统中，建立拓扑不变量、晶格对称性与量子相干性之间的直接关联。

提出的方法

• 采用飞秒激光直写技术制备具有$8\times8$格点的二维光子波导晶格，实现对晶格几何结构与拓扑特性的精确调控。
• 通过叠加态注入单光子，以探测量子叠加态在晶格中的动力学行为。
• 利用后选单光子成像技术测量光子分布与返回概率，以绘制量子态的演化过程。
• 基于具有非对称耦合的紧束缚哈密顿量进行理论建模，通过填充异常与对称性保护推导出拓扑不变量。
• 开展对称性分析，以区分$C_4$与$C_2$拓扑相，揭示其在角态简并性与拓扑不变量上的差异。
• 引入非厄米微扰以检验系统鲁棒性，结果表明角态即使在小的非厄米局域势下仍保持拓扑保护，且能级近乎实数。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子高阶拓扑结晶绝缘体能否保护单光子叠加态免受扩散引起的退相干影响？
• RQ2 晶格对称性（$C_4$与$C_2$）如何影响光子晶格中角态的形成及其拓扑保护特性？
• RQ3 在多体光子系统中，拓扑角态在多大程度上能保持量子纠缠？
• RQ4 手征对称性与体极化在稳定光子晶格中拓扑保护的零维态方面发挥何种作用？
• RQ5 该系统中的拓扑保护与四极绝缘体或全介质光子晶体中的拓扑保护相比有何异同？

主要发现

• 在$C_4$对称晶格中实验观测到的角态为非简并态，且能保持初始叠加态的相对相位，实现光子在多个角态间的演化分布。
• 在$C_2$对称晶格中，角态仍保持拓扑保护，并表现出与$C_4$对称系统不同的拓扑不变量，证实了对称性依赖的拓扑相。
• 在30 mm的传输距离内，返回初始角态的概率保持较高水平，表明系统对无序与扩散具有强鲁棒性。
• 注入晶格的纠缠光子态保持其量子关联性，证明了多体纠缠态的拓扑保护。
• 角态表现为布居在连续态中的束缚态（BIC），在小扰动下仍与体态和边缘态分离，证实了由手征对称性及$C_4$/$C_2$对称性带来的拓扑保护。
• 非厄米局域势未导致角态局域化，其能级保持近乎实数，并随系统尺寸增大而指数稳定，进一步证实了拓扑鲁棒性。