基于光学斯格明子的抗扰动整数运算：拓扑光子计算新范式

《Nature Photonics》：Perturbation-resilient integer arithmetic using optical skyrmions

本研究针对当前光子计算中模拟信号易受噪声干扰、难以扩展的瓶颈，提出并实验验证了一种利用光学斯格明子（Stokes skyrmions）和被动光学元件实现抗扰动整数运算的新方法。通过设计特殊结构的介质，研究人员实现了无需外部能量输入的加法/减法运算，并证明了其对抗介质缺陷的拓扑鲁棒性。该工作为开发高带宽、低功耗的数字光子计算提供了新思路，发表于《Nature Photonics》。

　　

随着摩尔定律的放缓与人工智能算力需求的爆发式增长，光子计算因其高带宽、低功耗的优势成为后摩尔时代的重要技术方向。然而，现有光子计算方案大多基于模拟信号处理，存在易受噪声干扰、系统扩展性差等固有局限。光学斯格明子作为一种新兴的拓扑光场结构，其斯格明子数（skyrmion number）的整数特性为数字化光子计算提供了独特解决方案。

传统光子计算主要通过调控光波的振幅、相位和波长等参数进行信息处理，而光学斯格明子则利用了未被充分开发的空间偏振自由度。这种由复杂空间偏振场承载的拓扑准粒子，不仅具有抗扰动的天然优势，还能在单个局域化光场中存储任意大整数，为高密度数据传输和计算开辟了新途径。

在这项发表于《Nature Photonics》的研究中，牛津大学研究团队设计了一类特殊结构的介质（structured matter），当光学斯格明子通过时可实现整数加减运算。其核心原理在于：介质的边界结构决定了斯格明子数的变化量，而介质内部的连续形变不影响运算结果，这种"拓扑对偶性"赋予了系统强大的抗扰动能力。

研究团队通过梯度折射率系统和空间光调制器（SLM）级联两种方案实现了二阶加法器实验。特别值得关注的是，他们在实验中引入了不同强度的随机像素噪声来模拟介质缺陷，甚至使用了因轴分布不对称而被质量检测淘汰的样品，但数值计算的斯格明子数仍保持稳定，验证了理论的拓扑保护特性。

关键技术方法包括：1）基于斯格明子变换定律的结构化物质设计理论；2）利用空间光调制器级联实现可编程光学斯格明子生成与调控；3）斯托克斯场（Stokes fields）全偏振态测量技术；4）广义斯格明子数（generalized skyrmion number）计算方法，支持多拓扑电荷同时传输。

结构化物质设计原理

研究团队从斯格明子的广义变换定律出发，推导出介质边界结构与斯格明子数变化的数学关系。当光学斯格明子在介质中传播时，其边界条件在庞加莱球（Poincaré sphere）上形成闭合曲线，该曲线的缠绕次数直接决定斯格明子数的变化量。对于满足边界 retardance=π 且快轴旋转k次的线性延迟器阵列，输出斯格明子数满足 degS' = degS + k 的严格数学关系。

加法器模块设计与实验验证

研究团队构建了可级联的k阶加法器模块，核心结构为线性延迟器阵列与半波片（HWP）的组合。通过调整半波片的位置，同一硬件可实现加法或减法运算。实验结果表明，即使在强噪声干扰下，系统仍能准确执行±2±2等复杂运算，输出斯格明子数与理论预测完全一致。

广义斯格明子加法器

通过引入广义斯格明子数概念，研究团队进一步提升了系统的鲁棒性和信息密度。广义斯格明子数将单个整数扩展为整数元组(n₁...n_k)，允许单个光场同时携带多个拓扑电荷。实验证明，这种加法器对输入光边界偏振态（SoP）和介质参数扰动都具有更强容忍度，且能实现同时多路整数运算。

鲁棒性测试与性能分析

研究团队系统测试了加法器在不同扰动强度下的性能表现。通过向SLM电压施加随机像素噪声模拟介质缺陷，发现即使噪声水平远超实际应用场景，广义斯格明子数仍保持拓扑稳定，而常规斯格明子数已出现波动。这一结果凸显了广义斯格明子框架在抗扰动方面的优势。

本研究开创性地将光学斯格明子的拓扑特性应用于光子计算，实现了真正意义上的数字式光学整数运算。其重要意义在于：首先，突破了传统模拟光子计算的噪声敏感瓶颈，为大规模光子集成电路的实用化提供了新路径；其次，利用空间偏振自由度实现了信息维度的扩展，单个光场可携带多个拓扑保护量；最后，提出的结构化物质设计原理具有普适性，可通过液晶聚合、超表面、梯度折射率写入等多种技术实现微型化器件。

尽管在波导传输、波长复用、探测效率等工程层面仍存在挑战，但这项研究为拓扑光子计算奠定了理论基础，并展示了光学斯格明子在增强光子计算信息密度方面的巨大潜力。随着片上斯托克斯偏振测量技术和光学斯格明子生成技术的发展，这种基于拓扑保护的数字光子计算架构有望成为未来高性能计算的重要支撑技术。