Topologische photonische Gitter mit Wechselwirkung über große Entfernungen durchbrechen die Grenze der Kanalbandbreite

Die topologische Physik befasst sich mit physikalischen Größen, die bei Verformungen unverändert bleiben. Aufgrund ihres Potenzials für rauschunempfindliche Berechnungen und Signalverarbeitung hat sie in verschiedenen Bereichen der Physik – Photonik, Quantencomputer, Festkörperphysik, Akustik und elektronische Schaltkreise – großes Interesse geweckt.

Auf dem Gebiet der photonischen integrierten Schaltkreise, deren Ziel darin besteht, Berechnungen durch die Anpassung von Lichtströmen durchzuführen, gab es im letzten Jahrzehnt konzentrierte Anstrengungen, eine rauschresistente Signalverarbeitung unter Verwendung topologisch geschützter Lichtzustände zu implementieren.

Eine der größten Herausforderungen bei der praktischen Umsetzung dieser Forschungsrichtung ist die Überwindung der Bandbreitenbeschränkungen der Signalverarbeitung. Bei der Implementierung topologischer Eigenschaften unter Verwendung benachbarter Wechselwirkungen zwischen optischen Elementen eines zweidimensionalen Systems besteht eine Kompromissbeziehung zwischen der Anzahl der Signalkanäle und der durch die Gitterbandlücke bestimmten Kanalbandbreite. Dieser Kompromiss verhindert eine Erhöhung der Gesamtinformationskapazität (= Kanäle × Bandbreite).

In einem neuen Papier veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und AnwendungenEin Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Sunkyu Yu und Professor Namkyoo Park von der Fakultät für Elektro- und Computertechnik der Seoul National University (Korea) und Kollegen hat durch die Anpassung von Wechselwirkungen über große Entfernungen in topologischen photonischen Gittern einen defektrobusten Mehrkanal-Signalprozessor implementiert.

Im Gegensatz zu herkömmlichen topologischen Systemen, die ausschließlich auf Wechselwirkungen zwischen nächsten Nachbarn beruhen, verwendet das System der Forscher Hardware, die erhebliche Wechselwirkungen über große Entfernungen zulässt und so eine effektive Überlappung herkömmlicher Gitterstrukturen innerhalb der zweidimensionalen Ebene ermöglicht.

Diese „Gitterüberlappungs“-Technik ermöglicht die Anpassung topologischer Invarianten – hier „der Chern-Zahlen“ – unter Beibehaltung der Bandlücke eines ursprünglichen Gitters. Diese einstellbare Chern-Zahl bietet mehrkanalige topologisch geschützte Randmodi und bricht schließlich die Kompromissbeziehung zwischen der Anzahl der Signalkanäle und der Kanalbandbreite auf.

In dem Artikel implementierten die Wissenschaftler ihre Gitterüberlappungsstrategie im berühmten Hofstadter-Modell unter Verwendung von Systemparametern, die in der herkömmlichen Siliziumphotonik verfügbar sind und die sie mit der Software Tidy3D analysierten.

Sie demonstrierten die inkohärente optische Funktionalität – einen mehrkanaligen Wellensplitter für Licht mit zufälligen Phasen und Amplituden –, der gegenüber verschiedenen Arten von Störungen äußerst robust ist. Das Ergebnis zeigt, dass ihr Ansatz eine rauschunempfindliche Signalverarbeitung mit verbesserter Informationskapazität ermöglicht.

„Bisher wurden topologische photonische Schaltkreise typischerweise unter der Bedingung von Wechselwirkungen zwischen optischen Elementen mit den nächsten Nachbarn implementiert. Obwohl einige Anstrengungen unternommen wurden, um die Auswirkungen von Wechselwirkungen über große Entfernungen zu analysieren, ging man aufgrund der Natur elektromagnetischer Wellen davon aus, dass diese Wechselwirkungen viel schwächer sind als die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Elementen.

„In unserer Arbeit entwickeln wir integrierte photonische Plattformen, die stärkere Wechselwirkungen über große Entfernungen erreichen können als benachbarte. Dieser Ansatz ermöglicht die Umsetzung des „Gitterüberlappungs“-Designs, wodurch die mehrfache Überlappung der herkömmlichen Gitter innerhalb einer zweidimensionalen Ebene effektiv realisiert wird.

„Dieses überlappende Gitter bietet die Gestaltungsfreiheit, beliebige Chern-Zahlen zu erreichen und gleichzeitig die Bandlückenbreite beizubehalten. Wir haben das Ergebnis am Beispiel des Hofstadter-Modells demonstriert. Die erhaltene Chern-Zahlenmanipulation ermöglicht mehrkanalige, topologisch geschützte Randmodi in der breiten Bandlücke, wodurch das Problem der Kanalbandbreite gelöst wird.

„Unser Ergebnis ermöglicht daher eine robuste und leistungsstarke Signalverarbeitung in photonischen integrierten Schaltkreisen, die in KI-Beschleunigern und in der Quantencomputertechnik weit verbreitet sind.

„Wechselwirkungen über große Entfernungen emulieren teilweise höherdimensionale Physik, wie die erhöhten Kopplungsgrade an jedem Knoten zeigen. Daher glauben wir grundsätzlich, dass die bedeutendste Auswirkung unserer Forschung in der effektiven Modellierung höherdimensionaler Physik auf einer zweidimensionalen Ebene liegen würde. Dieser Durchbruch könnte den Weg für die Implementierung topologischer Phänomene in komplexen Netzwerken ebnen, was eines der ultimativen Ziele unserer Forschung ist“, erklären die Wissenschaftler.