12月25日，記者從上海交通大學獲悉，該校物理與天文學院金賢敏教授團隊制備出世界上首個軌道角動量波導光子芯片，該研究成果近日發表于《物理評論快報》，并作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics亮點文章在其網站首頁重點推薦，美國物理學會的《物理》期刊也同步發表亮點文章。

據悉，金賢敏團隊在國際上首次在光芯片內制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，并實現在波導內高效和高保真地傳輸。這項研究進展使得未來在光子集成芯片內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”分布的強度結構，螺旋型波陣面的位相結構，攜帶軌道角動量的動態特性，使其被廣泛地應用于光束縛、光操縱以及光鉗等領域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發提供巨大的資源，用于解決通信系統上信道容量緊縮的問題。而在量子光學與量子信息領域，光子軌道角動量，作為內稟的無限維的自由度，可將其用于分發高維的量子態以及構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制備了首個波導橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動量波導光子芯片，使得軌道角動量這一新興自由度在芯片內操控得以在實驗中首次實現。這也將促進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。

研究人員通過三維飛秒激光直寫技術得到的“甜甜圈”波導可以有效地將簡并的軌道角動量模式分開。此“甜甜圈”型波導是由12根相互之間有輕微重疊的波導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作投影測量，實驗驗證了此波導可以高效高保真地傳輸低階軌道角動量模式，特別是傳輸總效率高達60%。對于高階模式，目前加工出來的波導，會讓其轉化為低階模式。同時實驗發現，此波導也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態，超越了傳統的兩比特的“qubit”態。這暗示著此波導將很有潛力可以用于高維量子態的傳輸與操控。