國防科普加油站（3）拓撲光子學：打造光子專用“高速公路”

光束沿直線傳播，這是一個普通物理學常識。如果有人告訴你，光束也可以“拐彎”甚至“急轉(zhuǎn)彎”，你也許會感到驚訝，或者說 “癡人說夢吧”。

沒錯，科學發(fā)現(xiàn)就在于先有“夢”而后“夢想成真”。如今，讓光束“轉(zhuǎn)彎”的科學夢想，已經(jīng)變成了現(xiàn)實。2009年10月，美國麻省理工的研究團隊利用光學拓撲理論設計出一塊能控制光束的器件，讓光在這個神奇的器件中，能繞過障礙物繼續(xù)傳播。這一科學發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對光束的傳統(tǒng)認知，引發(fā)了國際科學界的廣泛關注。

傳播速度極快的光束為何能“拐彎”，甚至繞過障礙物呢？其中的奧秘就在于光子擁有一條專用的“高速公路”，而這條神奇“高速公路”則來源于一個“高大上”的科學領域――拓撲光子學。它究竟是何方神圣呢？現(xiàn)在就讓我們來揭開它的神秘面紗吧。

拓撲學催生新變革，光束不再直線傳播

俗話說：江山易改，本性難移。光束的本性是沿直線傳播，怎樣才能改變其本性呢？這要歸功于一門“高大上”的科學――拓撲學。作為近代發(fā)展起來的一個研究連續(xù)形變現(xiàn)象的數(shù)學分支，拓撲學相當深奧，我們可以通過簡單類比來理解，簡單地說，拓撲學是研究幾何體中含有“孔洞”個數(shù)（即“拓撲數(shù)”）的一門學問。比如說，人們喜歡的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在結構中都有一個洞，在數(shù)學上，我們可以將這種中間有且只有一個“孔洞”的結構，歸為一類，看作是只有一個“孔洞”的圓環(huán)體。對于籃球、足球、西瓜等沒有“孔洞”的結構，則將其歸為另一類。它們雖然都屬于圓環(huán)體，但前者“孔洞”個數(shù)為“1”，后者為“零”，結構不同，在性質(zhì)上就存在很大的差異。簡單地說，按照不同物體中所包含的“孔洞”個數(shù)進行分類，并將“孔洞”個數(shù)相同的物體進行性質(zhì)上的類比，就是拓撲意義上的分類。

圖1. 按照“孔洞”個數(shù)的不同對物體進行分類

拓撲學是一個很神奇的數(shù)學概念，它進入物理學領域后，最早是被用來描述物質(zhì)中的電子運動規(guī)律，并由此發(fā)現(xiàn)了“拓撲絕緣體”。這一新奇的材料相比于橡膠等不導電的普通絕緣體，雖然同樣能阻止電荷流動，但在其表面卻猶如為電子開辟了一條“高速公路”，可以讓電子無障礙、低損耗的高速穿流。

“拓撲絕緣體”這一獨特功能，讓物理學家們浮想聯(lián)翩。2008年，美國物理學家鄧肯·霍爾丹提出了打造“光學拓撲絕緣體”的新奇構想。他的設想是，當兩種具有不同拓撲數(shù)的材料緊密拼接在一起時，其界面處必然會產(chǎn)生一個“光學拓撲邊界態(tài)”，如此一來，耦合到物質(zhì)表面的光，自然不會也不需要穿入物質(zhì)體內(nèi)，經(jīng)歷猶如塞車般的“散射和吸收”，而乖乖地走上了屬于自己的那條表面通路。這個“光學拓撲邊界態(tài)”就相當于光子的專用“高速公路”，但它并非是一條直線，而像普通道路一樣有大小不等的彎道，光子在這條“高速公路”傳播只能沿著彎曲的道路通行，即在物質(zhì)表面“曲線傳播”，這樣，就改變了光束直線傳播的本性。

圖2. 光/電子高速公路

真可謂“只有想不到，沒有做不到”，如今，這條光子“高速公路”在科學家們的不懈探索與創(chuàng)新中，已經(jīng)走進現(xiàn)實，這就是由拓樸學發(fā)展而來的“拓樸光子學”。

奇異特性，彰顯超強本領

在這條光子專用的“高速公路”上，處于“光學拓撲邊界態(tài)”的光子，只能沿著邊界傳播。與傳統(tǒng)導光介質(zhì)相比，其拓撲保護性質(zhì)使光學拓撲絕緣體具備了許多獨特本領。

讓光子奔跑“暢通無阻”。

在光學拓撲絕緣體中，利用疊加偏振方向相互垂直的兩種光，可以模擬出類似電子所具有的自旋特性。如此以來，在光學拓撲絕緣體邊緣，“自旋屬性”不同的光波組合將被分別歸屬于不同的“通道”上，避免兩類組合之間相互干擾。這樣，光子傳播就從擁擠的“林間小路”升級為了寬闊通暢的“高速公路”，當遇到散射體時，便不會“掉頭就走”，即發(fā)生背向散射現(xiàn)象。這樣不僅可以巧妙地實現(xiàn)“單向通光”的功能，更能夠極大的提高光子中負載信息的傳輸效率。

讓光束能“拐彎”。

光學拓撲態(tài)是由兩個具備不同拓撲數(shù)材料緊密相連構成的一個物質(zhì)界面，這就使得進入界面的光子注定只能在“夾縫中求生存”，它只能沿著兩個物體的接縫處傳播。這樣就可根據(jù)需要，在材料接縫處隨心所欲地進行大角度彎折，即便做成諸如“Z”字形狀，光子都能奔跑自如，無論前進道路多么曲折，它都能勇往直前，讓光束“急轉(zhuǎn)彎”也不再是神話。

圖3. 表面波像沒有障礙一樣繞過Z型拐角

讓光子“包容”缺陷。

在傳統(tǒng)認知里，光子是一個“完美派”，所到之處，必須環(huán)境清潔、穩(wěn)定。否則，就會在傳播中產(chǎn)生散射或吸收，從而使許多光學實驗無法正常進行，以至造成儀器失靈、實驗失敗。在許多光學加工及元器件生產(chǎn)中，需要采用超高精度加工手段來減小對光束的影響，導致加工和生產(chǎn)成本過高。如果采用拓撲光子學方法，則能很好地解決這一問題，因為“光學拓撲邊界態(tài)”十分穩(wěn)定，具有拓撲性的光子即使遇到瑕疵或缺陷時，系統(tǒng)的拓撲數(shù)也并不會發(fā)生改變。這種對缺陷的“包容”性，使得光學拓撲絕緣體具備很強的抗干擾能力。

軍事應用“潛力股”，后發(fā)優(yōu)勢很明顯

作為一種奇異的光子傳輸狀態(tài)，光學拓撲邊界態(tài)所具備的獨門絕技，是其他的光學效應無法比擬的。2013年，科學家們已在實驗室成功研制出首個光學拓撲絕緣體。他們巧妙地設計出一種獨特“波導”網(wǎng)格，能顯著減少傳輸過程中光的散射，為未來各類光學應用打開了一扇新的大門。如今，大量實驗證明光學拓撲絕緣體所具有的優(yōu)越性能，使其在通信、光集成等領域具有廣闊的應用前景，尤其是在國防和軍事領域，它已成為軍事競爭的“潛力股”，具有十分明顯的后發(fā)優(yōu)勢。

構建超穩(wěn)定光學通信線路。

現(xiàn)代高速通信的基礎主要采用遍布海底的高速光纜，信號在極遠距離中的傳輸與放大一直是制約通信速度提升的核心問題之一。當光纖對信號所產(chǎn)生的背向散射光不斷疊加，又與信號光同頻率時，就會構成對信號的干擾。如果利用有拓撲保護性質(zhì)的光子晶體光纖，就可以有效克服這一困難。因為，光學拓撲邊界態(tài)的單向傳輸特性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超高速的光學信號傳輸，更重要的是夠?qū)崿F(xiàn)低功率、高保真的超穩(wěn)定通信，這將為未來一體化信息網(wǎng)絡建設提供有力支撐。

推動光子芯片技術發(fā)展。

現(xiàn)代信息技術的核心是電子芯片，半個世紀以來，芯片的性能提升一直遵循著“摩爾定律”，即每18個月性能提升一倍，但電子芯片發(fā)展并非無極限。因此，科學們正嘗試研發(fā)光子芯片，利用光子取代電子成為邏輯運算的基本載體，成為新一代具備顛覆性能力的計算核心。與內(nèi)含銅導線電子芯片不同，它利用光束可沿大角度、低損耗傳輸優(yōu)勢，可極大提高芯片的性能和信息處理的安全性。一旦研發(fā)成功，這將推動新一代光計算元件開發(fā)，提升有關信息處理能力并實現(xiàn)完全自主可控。

打造高效激光光源。

激光是利用諧振腔對種子光的來回反射實現(xiàn)光放大，而諧振腔內(nèi)的瑕疵會影響激光損耗閾值，從而使激光輸出功率大幅降低甚至無法出光。如果利用光波對結構缺陷的免疫能力，采用光學拓撲絕緣體設計的諧振腔，則可以完美避開腔內(nèi)瑕疵，使激光器工作效率更高、性能更穩(wěn)定。未來，以拓撲絕緣體激光器為核心的新型有源拓撲光子器件，將為軍事通信、戰(zhàn)場感知等信息化作戰(zhàn)領域帶來顛覆性變革。(作者：王握文、毛元昊 來源：國防科技大學)

圖4. 拓撲光學激光器