beat365官方网站、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學團隊”胡小永教授和龔旗煌院士與合作者在集成光子芯片研究中取得重要進展：通過逆向設計方法設計并制備出具有超小特征尺寸和超完備相移調控功能的定向耦合器，以此取代傳統光子芯片中的多模幹涉器，實現了具有高集成度的多功能光子芯片，為實現大規模集成的多功能光子計算平台提供了一種新方法。2024年6月19日，相關研究成果以“超緊湊多功能集成光子平台”（Ultracompact and Multifunctional Integrated Photonic Platform）為題，在線發表于《科學進展》（Science Advances）。

随着信息技術的快速發展，對高速信息處理芯片的需求日益增長，以光子作為信息載體的集成光子芯片在高速信息處理領域具有重要應用。集成光子芯片的兩個重要指标是：多功能和小型化。通常利用光子晶體、微環共振腔、傳統馬赫-曾德幹涉儀（MZ幹涉儀）作為單元器件來構建的光子芯片，其單元器件的特征尺寸相對較大，例如傳統MZ幹涉儀的特征尺寸在100微米量級，不但限制了光子芯片小型化指标的實現，而且制約了光子芯片單位面積計算能力的提升；通過直接擴展和級聯相同的單元器件來實現的集成光子芯片難以執行多種計算功能。因此，如何同時實現大規模、多功能和小型化的集成光子平台仍是一個巨大的挑戰。

研究團隊将伴随梯度算法與幾何約束算法相結合，發展出一種逆向設計智能算法，利用發展的逆向設計算法實現了超小特征尺寸（僅為4 μm×2 μm）的高性能定向耦合器，利用86個逆向設計的定向耦合器和91個移相器構建出高集成度、多功能的集成光子芯片（如圖1所示），該集成光子芯片的特征尺寸僅為3 mm×0.2 mm，将單位面積的集成度提高了一個數量級。

圖1.芯片結構圖以及單元結構測試結果。（A）芯片結構示意圖，芯片由輸入态制備部分、信息處理器和輸出部分組成。（B）封裝後的芯片照片。（C）若幹定向耦合器串聯透射率拟合結果。（D）由兩個逆向設計的定向耦合器和一個電極組成的新型MZ幹涉儀的透過率随着電極上所加功率的變化曲線。

研究團隊提出了一種實現一維緊束縛模型量子模拟的新方法：将每一根波導視為晶格中的一個原子；波導中傳播光的強度表示電子束縛在該晶格上的概率；新型MZ幹涉儀實現任意兩根相鄰波導之間的耦合，代表電子在不同原子之間的躍遷；MZ幹涉儀的傳輸矩陣即為緊束縛哈密頓量對應的演化算符。研究團隊利用集成光子芯片實現了一維弗洛凱Su-Schrieffer-Heeger（SSH）構型拓撲絕緣體的量子态演化過程的量子模拟（如圖2所示），通過選擇四種不同的系統參數，對應實現了四種不同的拓撲相（平庸、拓撲0模、拓撲π模以及0，π模同時存在）。通過對移相器施加不同的電壓，使得MZ幹涉儀的傳輸矩陣代表不同拓撲相條件下的演化算符，系統的初始态選擇在晶格内部，實驗測得的量子态演化過程分布與理論計算值相符，實驗測得平均保真度達到0.9790。

圖2.一維弗洛凱SSH模型量子模拟結果。（A）一維弗洛凱SSH模型拓撲相圖。（B）一維弗洛凱SSH模型在周期性邊界條件下的準能譜。（C）一維弗洛凱SSH模型在開邊界條件下的準能譜。平庸（D）、拓撲0模（E）、拓撲π模（F）、以及拓撲0模π模同時存在（G）這四種拓撲相下量子态的演化過程。

研究團隊進一步實現了一維Aubry-André-Harper（AAH）構型拓撲絕緣體的的量子态演化過程的量子模拟（如圖3所示）。AAH構型拓撲絕緣體的相鄰格點間的耦合系數一緻，但格點的在位能随位置以餘弦函數形式發生周期性變化，通過調控在位能的變化周期、在位能振幅以及耦合系數的比例可以實現不同的拓撲相。集成光子芯片中獨立可調的波導傳輸相位可以等效實現不同格點的在位能，從而構建出一維AAH構型的拓撲絕緣體，實驗實現了兩種不同拓撲相條件下量子态演化過程的量子模拟，實驗測得平均保真度達到0.9934。

圖3.一維AAH拓撲絕緣體量子态演化的模拟結果。（A-B）兩種拓撲相下以起始相位作為合成維度的準能帶。（C-D）兩種拓撲相下量子模拟的理論結果和實驗測量結果。

為了演示光子集成芯片的多功能性，研究團隊利用集成光子芯片實現了光學神經網絡在MNIST手寫數字數據集上的分類功能（如圖4所示）。通過對輸入手寫數字圖片進行主成分分析實現數據降維，随後在片上進行梯度下降算法，實現了對光學神經網絡的片上訓練，實驗中實現了對數字“0～3”的四分類以及數字“0～7”的八分類，準确率分别達到了87%和69%，與計算機訓練效果相當。

圖4.片上光學神經網絡實現MNIST手寫數字分類。（A-B）四分類片上訓練和計算機模拟的準确度和損失函數随訓練代數的關系。（C-D）八分類片上訓練和計算機模拟的準确度和損失函數随訓練代數的關系。（E-F）四分類片上訓練和計算機模拟的測試集的混淆矩陣。（G-H）八分類片上訓練和計算機模拟的測試集的混淆矩陣。（I-J）數字“3”和“0”輸入到芯片上時，光強在平台上分布的演化過程。

beat365官方网站2022級博士生杜卓晨、2019級博士生廖琨、2019級本科生戴天翔、2023級碩士生王芋霏和2024級博士生高金澤是共同第一作者；beat365官方网站胡小永教授、北京理工大學路翠翠教授和中國科學院微電子研究所楊妍研究員為共同通訊作者。上述研究成果得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金，以及量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心等支持。

論文原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7569