拓扑声子阻塞与传输：基于暗模工程的非互易量子资源创制

研究人员通过合成磁力学（synthetic magnetism）实现暗模（dark-mode, DM）的可控调控，解决了拓扑声子传输（TPT）因暗模解耦而失效的难题。研究揭示了暗模非破缺（DMN）与破缺（DMB）态间的异常相变，首次实现了拓扑声子阻塞（TPB）与传输的按需切换，为量子信息处理提供了抗暗模干扰的拓扑资源。成果发表于《Nature Communications》。

　　

在量子光力学系统中，暗模（dark mode）如同幽灵般的存在——它们由机械振子的特定相干叠加形成，却因与系统解耦而无法参与能量交换。这一特性虽在量子存储中具有优势，却严重阻碍了拓扑声子传输（Topological Phonon Transfer, TPT）等量子操控的实现。传统研究往往选择规避暗模，但Deng-Gao Lai团队在《Nature Communications》发表的研究另辟蹊径，通过合成磁力学（synthetic magnetism）这一"光学扳手"，首次实现了对暗模的主动操控，开辟了拓扑量子资源创制的新范式。

研究团队采用三项关键技术：1）相位依赖的声子跃迁耦合（phase-dependent phonon-hopping interaction）构建合成规范场；2）双机械模式-单光子腔的量子光力学系统实现参数精确调控；3）绝热环绕异常点（Exceptional Point, EP）的拓扑操作路径设计。通过调节跃迁相位Θ和耦合强度ξ，系统可在暗模非破缺（DMN）与破缺（DMB）态间切换，如图1b所示。

暗模工程的物理机制

研究揭示暗模调控存在双重路径：合成磁力学（Θ≠nπ时打破对称性）和非对称耦合（G₁≠G₂）。当Θ=nπ时，系统处于DMN态，暗模完全解耦（图2a,c）；而Θ≠nπ时，合成磁力学诱导的规范势使暗模重获耦合（图2b,d），进入DMB态。这种可控转变通过图3所示的声子传输效率F₊得到验证——DMN态下F₊≡0（TPB），DMB态下F₊→1（TPT）。

异常点的动态调控

研究首次观测到暗模对异常点（EP）的"屏蔽效应"：DMN态下EP消失（图1c），而DMB态中通过调节激光功率P和失谐Δ可精准定位EP（图1d黄色星标）。绝热环绕EP时，系统展现非互易拓扑动力学——顺时针与逆时针路径分别导致F₊→0或1（图4），这种方向依赖性为量子开关设计提供了新思路。

网络化拓展与量子基态制备

研究将机制拓展至N模光力学网络，通过相位串联（Θ₁=π, Θ_j≥2=0）实现所有N-1个暗模的同步破缺。如图5a所示，DMB态下暗模声子数n_D可从10³降至<1，解决了宏观机械系统量子基态制备的瓶颈问题。该机制还可推广至Λ型三能级系统（图5b,c），通过相位调控打破暗态（dark state）效应，为量子光学操控提供普适工具。

这项研究的意义在于：1）创立了"暗模免疫"的拓扑量子资源新范式；2）实现了TPB与TPT的按需切换，解决了《Science》报道的量子集体运动难题；3）为芯片级量子信息处理器开发提供了可扩展方案。正如研究者所言，这项工作"不是规避而是征服了暗模挑战"，为拓扑量子技术的发展绘制了全新路线图。