自由空间中的紧凑可编程大规模光学处理器

无芯片的光路

从互联网到量子计算，现代技术越来越依赖光来承载和处理信息。今日大多数光子电路都构建在芯片上，光被限制在微小的波导中传播。本文探讨了一条截然不同的路线：仅用几块平面可编程屏幕在自由空间中执行强大的光学计算。对普通读者而言，这一思路的吸引力显而易见：它指向更轻便、更灵活的“光处理器”，可以像软件一样重新编程，同时仍能处理高级计算和量子模拟中的复杂问题。

把平面屏幕变成光处理器

研究人员展示了如何用三块液晶空间光调制器构建紧凑的光学处理器，这些器件看起来有点像高端投影面板。与将光引导到狭窄通道不同，他们让一束宽光束自由传播，同时在每一层对其性质进行微调。信息储存在光束的细微图样中：圆偏振（电场旋转的方向）和微小的横向动量，这些对应于光束横截面上的一格格光斑。通过精确编程三块调制器，团队可以实现复杂且数学上精确的变换，而这些变换通常需要数十乃至数百个独立的光学元件才能完成。

在平桌上模拟量子行走

为了测试处理器的能力，作者们将注意力集中在一类称为量子行走的过程上。这些是随机行走的量子对应物，其中粒子逐步探索格点位置空间。与醉汉式的随机行走不同，量子行走者呈弹道性扩散：由于不同路径间的干涉，其概率分布扩展得更快。在该装置中，晶格上每个可能的位置由透镜焦平面上的一个独立光点表示，驱动行走的内部“硬币”则编码在光的圆偏振中。借助单束入射光和固定的三层硬件布局，团队通过重编程调制器，使同一物理器件在一次拍摄中即可实现多达30步的一维或二维量子行走效果，将光分布到超过7000个输出模式上。

观测无序、外场与拓扑效应

因为该平台完全可编程，作者们能够超越简单的扩散，探索更丰富的情形以模拟复杂材料。通过在时间上随机改变行走的有效步长，他们制造出不同程度的“时间无序”，并通过分析光点图样的展开直接观察从快速量子扩散到较慢的类似扩散行为的转变。他们还通过在每一步微妙地移动编程图样来模拟恒定电场对带电粒子的影响，导致行走者的分布周期性地重新聚焦，这一特征称为布洛赫振荡。更有趣的是，他们探测了被模拟系统中隐藏的拓扑性质——这类全局特征对许多缺陷具有鲁棒性。通过分离两种圆偏振分量并追踪称为平均手性位移的量，他们提取出了标记不同拓扑相的整数“绕数”。在一个类石墨烯的二维模型中，他们进一步利用相同的光学硬件通过扫描不同动量来绘制所谓的量子度规，这是衡量系统对参数变化敏感性的几何量。

从经典光束到单光子

所有这些演示首先使用常规激光完成，其中每个光点的亮度反映量子行走者的概率分布。为证明该平台可用于真正的量子实验，团队用一对纠缠光子对代替激光光源。一只光子作为预示子（herald），确认其伙伴光子的存在，而另一只进入三层处理器。使用高速时间分辨相机，他们记录了同时发生的探测事件，并在单光子水平重建了相同的量子行走图样。与理论和基于激光的数据的高度一致表明，尽管涉及多重反射和复杂的偏振控制，该器件仍能在数千个模式间保留微妙的量子叠加态。

这项工作为何对光子学的未来重要

简言之，这项工作表明，少量可编程的自由空间光学元件可以替代深度复杂的光子电路，而随着被模拟过程复杂度增加并不会额外付出更高的损耗代价。通过利用一种解析的“逆向设计”方法，调制器所需的图样可以直接计算得出，而非通过繁复的优化过程。结果是一个紧凑且可重构的光处理器，能够实现大规模量子行走、探索无序和合成外场，并在同一硬件上访问细微的拓扑与几何性质。对于未来技术而言，这提示了一条实用路径：通过向三块平面屏幕加载新图样，就能按需切换功能，从量子模拟器到先进的经典与量子信息工具，形成多用途的高维光学处理器。

引用: Ammendola, M.G., Dehghan, N., Scarfe, L. et al. Compact and programmable large-scale optical processor in free space. Light Sci Appl 15, 179 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02236-2

关键词: 自由空间光子学, 量子行走, 空间光调制器, 拓扑光子学, 量子模拟