北京量子院在奇异面精密探测研究方面取得重要进展

来源：北京量子院

奇异点是非厄密系统中一类特殊的简并状态。在这种状态，系统本征值连同本征态同时发生坍缩，这种独特的性质在拓扑光子学、光量子信息和高灵敏度传感中有重要的应用前景，利用系统奇异点状态下对微小扰动的强烈响应已成为提高探测灵敏度的重要方向。

由于奇异点方案对于制备和操作的精度要求较高，实验上易受外界其他噪声的影响而偏离奇异点状态，在实际应用中存在着较大的难度。而奇异面方案的提出，有效地提高了系统对参数的鲁棒性，解决了这一难题。

图1 奇异面上的探测

（a）奇异点在多维参量空间中组成奇异面，通过非厄密光学微腔对向传输模式间的单向耦合来实现。

（b）灵敏度放大倍数与耦合条件的关系。

（c）耦合参量空间下的模式劈裂分布。

近期，龙桂鲁、王敏等通过在回音壁模式光学微腔体系中引入对向传输模式间的单向耦合，首次在实验上实现了光学模式的奇异面，并由此提高微扰传感的灵敏度。

该方案利用反馈光纤波导和光隔离器，完成微球腔内顺时针传输模式到逆时针传输模式的单向非对称耦合，将系统制备于奇异面上，通过模式劈裂来探测微扰，适用于多种实验耦合情况，利用奇异面实现探测的高灵敏度。

相比于传统的微扰传感方案，该方案在实验中可以将灵敏度提高到2倍，且保持较好的鲁棒性。此外，实验中还第一次观察到奇异面附近模式劈裂的抑制现象，对于非厄密系统的态操控研究具有重要意义。该工作推动了光学奇异面在微扰传感器中的应用。

图2 奇异面上模式劈裂受相位的调制

（a）模拟结果。

（b）特殊相位下的实验透射谱线。

（c）劈裂随相位变化呈周期性震荡调制。

该研究成果以“Experimental realization of sensitivity enhancement and suppression with exceptional surfaces”为题于2021年4月13日在线发表在国际著名光学期刊《激光和光子评论》(Laser & Photonics Reviews，影响因子10.655)上。作者包括北京量子院龙桂鲁研究员、王敏助理研究员。该工作得到了北京量子信息科学研究院、国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、广东省重点研发计划和北京未来芯片技术高精尖创新中心等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202000569

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