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本文提出并展示了三维硅光子芯片中光的绝热捷径（STA）编织。利用三层硅波导结构，通过 STA 策略加速编织操作，实现了如光子量子 X、Y、Z 门等功能，并观察到非阿贝尔编织行为，为紧凑的非阿贝尔光子器件发展奠定基础。
### 引言
非阿贝尔现象在物理学多个领域广泛存在，非阿贝尔任意子的交换行为可用于量子计算中编码量子比特，但在量子系统中实现存在挑战。在经典波系统（如光和声音）中，非阿贝尔编织已被实现，不过受绝热条件限制，操作距离长，阻碍实际应用。而绝热捷径（STA）方案可在更短时间或距离内模拟相同动力学，最初用于非简并系统，后推广到简并流形。本研究理论提出并实验证明了在三维（3D）硅光子芯片中实现 STA 非阿贝尔编织光子模式。
结果
- 模型：通过一个包含两个简并零模的光子编织模型进行说明。在三层硅光子芯片的编织结构中，有三个主波导（A、B、S）和一个辅助波导 X。波导间通过倏逝波耦合，其动力学可由哈密顿量描述。该系统具有子晶格对称性，存在两个简并零模，形成编织子空间。编织过程分为三步，实现了 Y 门的功能，能交换两个模式。但传统编织需绝热条件，操作距离长，为此提出 STA 编织策略加速绝热过程。
- STA 编织：采用 Berry 提出的无过渡驱动 STA 方法，对编织过程的基本子系统应用 STA 策略并扩展到整个编织程序。以编织过程第一步为例，将其看作子系统，该子系统的哈密顿量满足单光子共振条件，可映射为有效两能级系统。根据 Berry 协议得到反绝热驱动项，进而得到有效系统的 STA 哈密顿量，再映射回原三子系统得到原系统的 STA 哈密顿量。STA 策略改变了编织过程中的耦合系数和路径，能在更短距离内完成编织。模拟结果显示，STA 编织可实现 Y 门功能，同理可设计实现 Pauli X 和 Z 门。
- 实验观察：使用电子束光刻和感应耦合等离子体蚀刻工艺制作了三层集成波导样品。通过聚焦离子束切割样品和扫描电子显微镜观察波导结构。在光学测量中，用激光通过输入光栅耦合器注入波导，收集输出光进行分析。实验结果证实了 Y 门的功能，即两个零模可按要求切换光的驻留位置，且实现了 π 几何相位差。
- 非阿贝尔 STA 编织：成功展示 Y 门后，将 STA 设计和集成光子平台扩展到实现三模非阿贝尔编织操作。三模非阿贝尔编织结构包含七个波导，系统哈密顿量支持三个简并零模构成编织子空间。交换不同模式对应不同矩阵，不同编织序列会产生不同结果，验证了编织过程的非阿贝尔性质。STA 非阿贝尔编织过程在 144μm 内完成，相比传统设计和现有激光写入光子波导系统，尺寸显著减小。
讨论
本研究在三维硅光子芯片中实现了 STA 编织，利用三层波导结构和 STA 策略成功执行了如 Pauli X、Y、Z 门等快速零模编织操作，并观察到电信波长下的非阿贝尔编织，证明了 STA 编织方案的实用性。与以往工作相比，本研究实现了尺寸显著减小的非阿贝尔器件，为在 CMOS 兼容的硅光子芯片中构建量子逻辑门提供了可能。在玻色子系统中，使用双光子输入的 STA 编织方案有望实现更高维的完整度，从而实现更复杂的非阿贝尔光学操作，用于微纳尺度的光子和光操控。
材料与方法
采用电子束光刻和感应耦合等离子体（ICP）蚀刻工艺制作波导阵列和光栅纳米结构。以 220-nm 硅沉积在氧化铝基板为基底，经过清洗、旋涂光刻胶、电子束曝光、蚀刻、去除光刻胶等一系列步骤制作波导结构。在制作第二层和第三层结构时，需先涂覆 SU-8 保护，再沉积硅并重复上述制作过程。
