拓扑物理学主要研究在变形下保持不变的物理量，由于其在抗噪声计算和信号处理方面具有潜力，引起了光子学、量子计算、固体物理学、声学和电子电路等不同物理学领域的广泛兴趣。

长程相互作用拓扑光子晶格突破通道带宽限制

在光子集成电路领域，旨在通过调整光流来进行计算，过去十年来人们一直致力于利用拓扑保护的光态来实现抗噪声信号处理。

该研究方向在实际实施中面临的主要挑战之一是克服信号处理的带宽限制。当利用二维系统光学元件之间的相邻相互作用实现拓扑特性时，信号通道数与由晶格带隙决定的通道带宽之间存在权衡关系。这种权衡阻碍了总信息容量(=通道×带宽)的增加。

在《光：科学与应用》杂志发表的一篇新论文中，由韩国首尔国立大学电气与计算机工程系的 Sunkyu Yu 教授和 Namkyoo Park 教授领导的科学家团队及其同事通过调整拓扑光子晶格中的长距离相互作用，实现了缺陷稳健的多通道信号处理器。

与仅依赖最近邻相互作用的传统拓扑系统不同，研究人员的系统采用了允许大量长距离相互作用的硬件，这使得二维平面内的传统晶格结构能够有效重叠。

这种“晶格重叠”技术可以调整拓扑不变量(这里称为“陈数”)，同时保留原始晶格的带隙。这种可调陈数提供了多通道拓扑保护边缘模式，最终打破了信号通道数和通道带宽之间的权衡关系。

在论文中，科学家利用传统硅光子学中可用的系统参数，在著名的霍夫施塔特模型中实现了他们的晶格重叠策略，并使用 Tidy3D 软件对其进行了分析。

他们展示了非相干光学功能——用于具有随机相位和振幅的光的多通道波分路器——它对各种类型的无序都具有高度鲁棒性。结果表明，他们的方法能够实现抗噪声信号处理，并增强信息容量。

“以前，拓扑光子电路通常是在光学元件之间最近邻相互作用的条件下实现的。尽管已经进行了一些努力来分析长距离相互作用的影响，但由于电磁波的性质，这些相互作用被认为比邻近相互作用弱得多。

“在我们的工作中，我们设计了集成光子平台，可以实现比相邻光子更强的长程相互作用。这种方法可以实现‘晶格重叠’设计，有效地实现二维平面内常规晶格的多重重叠。

“这种重叠晶格提供了设计自由，可以在保持带隙宽度的同时实现任意陈数。我们用霍夫施塔特模型示例演示了结果。获得的陈数操纵允许在宽带隙中实现多通道拓扑保护边缘模式，从而解决了通道带宽问题。

“我们的研究成果使得光子集成电路中能够实现稳健且高容量的信号处理，光子集成电路已广泛应用于人工智能加速器和量子计算。

“长程相互作用部分模拟了高维物理，正如每个节点耦合度增加所显示的那样。因此，从根本上讲，我们认为我们的研究最重要的影响将是在二维平面上有效地建模高维物理。这一突破可能为在复杂网络中实现拓扑现象铺平道路，这是我们研究的最终目标之一，”科学家表示。