孙洪波院士领衔!郑州大学苏石磊&吉林大学田振男Nature子刊!

绝热拓扑泵浦为集成光子学中的光传输提供了一种稳健机制，有助于开发高效的片上光子器件。然而，由于需要缓慢的绝热调制，其实际应用在维持高传输效率和可扩展性方面面临重大挑战，且现有的加速策略在实现器件大幅小型化方面存在不足。

2025年12月29日，郑州大学苏石磊、吉林大学田振男、孙洪波在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Superadiabatic topological pumping on photonic chips》的研究论文，Jin-Lei Wu、Kai-Heng Xiao、Xiang Ni为论文共同第一作者，苏石磊、田振男、孙洪波为论文共同通讯作者。

在此，作者提出了一种用于构建拓扑泵浦捷径的间隙模式策略，并通过在片上光子平台中进行迭代绝热变换，实验性地展示了一种超绝热范式。与传统的绝热泵浦相比，研究人员的方法实现了20倍的占地面积缩减，与优化的朗道-齐纳（以及最近报道的量子度量和绝热下确界）实现相比，尺寸缩减了50%。

该器件在650–920纳米的显著带宽内工作，同时有助于可扩展的波导集成。这种方法建立了一个通过定制耦合配置实现高效拓扑光子传输的框架，为超紧凑型光子集成电路铺平了道路。

拓扑光子学借助拓扑不变性革新了片上光调控，实现了对鲁棒光传输的卓越控制。尽管早期研究聚焦于静态拓扑绝缘体，但通过参数调制实现的动态拓扑泵浦近年来已成为一种多功能平台，可实现具有本征抗无序性的可重构光子传输。这种范式通过在空间隔离的组件间实现高效、宽带的光子调控并保持鲁棒性能，为集成光子学提供了显著优势。然而，实际应用面临一个关键制约因素：传统拓扑泵浦对绝热性的严格要求需要低调制梯度，这从根本上限制了集成光子系统中器件的小型化和可扩展性。

人们已探索多种策略来克服这一根本性限制。尽管取得了这些进展，现有方法要么依赖绝热操作，要么为了更快运行而牺牲拓扑保护，要么在集成光子平台中缺乏实际可行性。几种代表性策略凸显了泵浦速度与拓扑鲁棒性之间的权衡。朗道-齐纳（LZ）方法以及近期报道的量子度量和绝热下界方法，在保持拓扑保护的同时利用了边缘态之间的加速转换。然而，其性能取决于绝热抑制的带隙模式跃迁，这从本质上施加了速度上限。

相比之下，拉比振荡方案利用共振带隙模式跃迁实现非绝热泵浦，但这种速度提升是以牺牲拓扑保护为代价的。基于绝热捷径（STA）的策略为加速绝热过程提供了强大的范式，不仅提供单一捷径，还提供一整族连接相同初始态和终态的加速路径。然而，许多理论提出的STA协议（通常依赖具有次近邻（NNN）或虚耦合的传统反绝热（CD）驱动）在实验上仍难以实现。因此，一个关键挑战是设计既快速又完全兼容平台固有控制参数的捷径。

在这项工作中，作者通过将CD驱动融入带隙模式哈密顿量，开发了一种构建拓扑泵浦捷径的策略，并演示了一种超绝热（SUAD）拓扑泵浦方案，该方案可在光子晶格中实现高保真、超紧凑传输。拓扑保护带隙模式之间的捷径工程避免了对次近邻（NNN）CD驱动的需求。此外，SUAD框架仅依赖集成平台中固有可用的实参数，即可在光子波导阵列中实现实验上可访问的STA。

利用飞秒激光直写波导阵列，作者通过实验演示了具有突破性性能的SUAD拓扑泵浦：其占用面积比传统绝热泵浦小20倍，紧凑性比LZ方法以及量子度量和绝热下界方法高50%。该系统预计在270 nm带宽（波长：650-920 nm）内实现>0.95的泵浦保真度，并支持可扩展的端口复用，性能优于最先进的相干隧穿绝热通道技术。通过消除对缓慢绝热调制的需求，这项工作证明了通过将理论设计与物理约束相结合，可以系统地设计可行的捷径，从而为具有可定制耦合架构的高密度拓扑光子学铺平了道路，为光子集成开辟了新前沿。

图1：调制光子波导中SUAD拓扑泵浦的示意图。a）左下角面板：在玻璃内部制造的空间调制SSH晶格光子波导示意图；左上角面板：输出端波导制造样品的照片（比例尺：20 µm）；右上角面板：有限格点SSH晶格示意图；右下角面板：说明占据SSH晶格边缘的两个能隙保护模式的光谱示意图。b）片上拓扑泵浦与能隙模式赝自旋特定相互作用图像之间的示意关系。AD：绝热；CD：反绝热。c）四种拓扑泵浦方案在20个波导中随样品长度变化的保真度比较，其中传统绝热情况（Conv.）的长度值除以十。d）本征模式相对于β1的瞬时传播常数。能隙中的边缘模式杂化为|φ±⟩。e）沿SUAD路径|Φ−(z)⟩在每个波导上的激发瞬时分布。c、d和e中的数据基于完整哈密顿量获得。

图2：SUAD拓扑泵浦的加速性能。(a) (i) 三种泵浦方案在L=40和60 mm时，边缘模式|L⟩和|R⟩在布洛赫球上的赝自旋动力学；(ii) 系统演化过程中|R⟩的占据概率，L=40和60 mm。(b) (i) 理论计算的光传播；(ii) 实验捕获的输出端面强度；(iii) 三种泵浦方案下L=40 mm样品的实验光强分布。(c) L=60 mm时(b)的对应结果。a、b(i)和c(i)中的数据通过用完整哈密顿量求解CME获得。

图3：SUAD拓扑泵浦的宽带和可扩展性能。(a) (i) SUAD方案（L=60 mm，顶部阴影区表示F > 0.95）和拉比振荡方案（L=40 mm）在输入波长范围为600 nm至1000 nm时的预测泵浦保真度；(ii) 两个样品在四个指定波长（而非808 nm）下工作时，在输出端面拍摄的照片。(b) (i) 相干拓扑绝热泵浦（CTAP，上图）和SUAD（下图）泵浦方案在不同波导数量下，计算的输出端面光强分布。插图：CTAP和SUAD方案在不同波导数量下的泵浦保真度趋势。N=35（CTAP）和N=36（SUAD）时的光传播模式。(ii) 五个分别具有N=20、24、28、32和36个波导的样品在输出端面的实测照片。a(i)中的F-波长数据和b(i)中的强度数据通过有限元模拟（FES）获得。a(i)中的F-ε数据和b(i)插图中的F数据通过求解CME获得。

本研究提出了一种超绝热（Superadiabatic）拓扑泵浦方案，通过在光子芯片上构建间隙模式（gap-mode）的加速路径，实现了高效的光子传输。该方案相比传统绝热泵浦缩小了20倍的芯片尺寸，并在650-920 nm的宽带波长范围内实现了高保真度的光子传输，同时具有良好的可扩展性。

这一成果克服了传统拓扑泵浦在小型化和效率方面的限制，为高密度集成光子学的发展提供了新的理论和实验基础。该研究为开发超紧凑、高性能的光子集成电路开辟了新路径，有望在光通信、量子计算和光子传感器等领域实现更高效、更小型化的光子器件，推动光子技术在信息处理和通信领域的广泛应用。

Wu, JL., Xiao, KH., Ni, X. et al. Superadiabatic topological pumping on photonic chips. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67693-6

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