测量诱导的光子拓扑绝缘体

老杨

01 导读

传统拓扑绝缘体的实现依赖外部磁场、自旋轨道耦合或非线性效应等物理机制来诱导拓扑相的产生。山东大学陈峰教授团队首次提出并在集成光子平台上实验验证了一种全新的拓扑绝缘体生成机制：测量诱导拓扑相变。该成果以量子测量反作用为核心，利用“量子-光学类比”(Quantum-Optical Analogy)方法，在经典光体系下，模拟出量子测量效应，通过周期性地测量序列动态重构系统哈密顿量，成功地诱导系统从拓扑平庸相向非平庸拓扑相的转变。该研究突破了传统拓扑相构建的范式，首次在理论与实验两个层面建立起了“测量—动力学—拓扑”三者之间的直接关联，揭示了测量这一基本物理过程作为主动调控系统动力学手段的深刻物理内涵，从根本上拓宽了拓扑态的生成途径，为拓扑物态研究提供了一条全新的途径。

研究成果以“Measurement-Induced Photonic Topological Insulators”为题，于2025年7月18日发表在Science Advances上。

02 研究背景

拓扑物态以其独特的“体绝缘、边导通”特性在量子计算、稳健信息传输和集成光子器件等前沿领域展现出重要应用潜力。传统拓扑相的构建通常依赖外加磁场、几何结构或自旋轨道耦合等，方案复杂，调控灵活性和普适性均受到一定限制，难以实现实时、可编程的动态调控。此外，测量作为量子力学中的基本过程，通常被视为扰动系统的“噪声”源。传统观点认为测量反作用对系统有害，因此多用于态信息的获取而非系统演化的控制。

该研究创新性地提出，将测量的反作用转化为一种积极的调控手段，通过精确设计的测量序列，在不依赖传统调控机制的情况下，诱导并驱动拓扑相变。此前，该团队已在相关研究中（Phys. Rev. Lett. 130, 103801, 2023）首次提出了适用于光学系统的多次测量过程的标准构建方案，为该研究提供了坚实基础。

03 研究创新点

创新点一：首次提出“测量诱导拓扑相变”的新机制，突破拓扑控制传统范式

针对拓扑相的传统实现方案通常存在可控性差、难以实现动态、实时的精确调控的问题。该研究首次提出利用周期性量子测量的反作用，在动力学芝诺（Zeno）子空间内动态重构系统的哈密顿量，诱导拓扑相变的发生。这一全新的理论机制不仅规避了传统方案中的限制条件，而且从物理本质上揭示出“测量—动力学—拓扑”之间深刻且普适的联系。相比以往方案，这一机制仅需设计精确的测量序列，无需对原有体系的几何结构或对称性做出修改，从而提供了一种理论普适性更广、操作更简单灵活、实时可控的新型拓扑调控方法。

创新点二：在集成光子芯片平台实现测量诱导拓扑相的完整实验闭环

实验方面，研究团队利用飞秒激光直写技术，在玻璃基底上制备出包含65条主传播波导与16,800段辅助测量波导的集成光子芯片。基于“量子-光学类比”方法的独特优势，在经典光体系下通过空间光束传播过程模拟量子系统的演化与测量过程，首次在芯片尺度上实现了大体系测量诱导的光学Zeno效应。通过设计并实现周期性的八步Floquet测量序列，研究团队成功观测到非平庸的拓扑边缘态及体绝缘现象。相比依赖静态磁场或结构调控的传统实验方案，该实验完全基于测量序列的调控，不改变晶格本身结构，首次实现了拓扑态的测量诱导生成与切换，构建了理论提出至实验验证的完整闭环，为集成光子平台的功能拓展提供了新范式。

图1 测量诱导的光子拓扑绝缘体。 (a) 片上集成的光波导结构图，(b) 测量诱导的拓扑边界传输

创新点三：首次提出并实现测量诱导的通用可编程光子晶格控制框架

该研究进一步探索并揭示了测量反作用在光子晶格操控中的通用性潜力。研究团队提出并实验实现了“测量控制—功能设计”的可编程控制框架，利用不同维度的Zeno子空间精确构筑复杂的光子传输路径与逻辑操作功能。作为演示，团队在光子晶格中实现了三能级Zeno子空间及级联的双两能级Zeno子空间，有效实现了在晶格内部对光束的精确分束与定向操控，这一实验首次证明了测量不仅能够用于拓扑态的生成，更可用于设计片上复杂的功能器件，具有明确的应用潜力。此外，测量控制方法具备极高的灵活性与可编程性，能够精细调控晶格中的光传播路径及逻辑功能布局，为未来拓扑光子芯片、光学信息处理器件甚至量子计算平台提供了新的设计思路和实验基础。

图2 测量诱导的可编程光子控制演示

04 总结与展望

该研究首次提出并基于“量子-光学类比”方法在实验上验证了“测量诱导光子拓和绝缘体”这一全新机制，建立了测量—动力学—拓扑三者之间的直接联系，显著拓展了拓扑调控的理论框架与实验路径。研究成果不仅揭示了测量过程作为主动、可编程的调控手段所具备的巨大潜力，还为实现动态可重构的拓扑光子器件提供了崭新思路和技术路线。未来，该方法有望推动光子芯片平台在信息处理、光通讯及集成光学器件等领域的进一步发展。

该论文由山东大学陈峰教授与美国纽约城市大学Andrea Alù教授作为共同通讯作者，山东大学刘全城博士后与刘伟杰博士为共同第一作者。研究工作获得国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目及山东省“山学者”泰攀登计划等的支持。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx0595