利用光子学实现常规 SO(m) 全向联络的片上多级记忆控制

能够“记忆”的光

从数据中心到量子计算机，现代技术越来越依赖操纵光而非电子。但大多数光学芯片要么非常精密却易碎，要么鲁棒性强却难以重编程。本文展示了如何使用一种即使断电也能“记忆”其状态的特殊材料，构建既能抵抗缺陷又可像存储芯片那样可重写的光学电路。

稳定光路为何重要

当光穿过复杂电路时，细微的制造误差或温度漂移就可能破坏承载信息的微妙干涉图样。解决方法之一是使用所谓的几何演化路径：结果主要取决于光在抽象可能性空间中走过的整体路线，而非精确时序或局部细节。这类路径源自量子物理学，可实现对编码在不同光通道中的信息进行可靠的旋转。然而直到现在，在光子芯片上实现的此类几何操作在芯片制造完成后基本上是固定的，使其不适合可编程或可训练的光学处理器。

会重接线规则的芯片

作者通过在多层硅光子芯片上覆盖一薄层相变材料 Sb₂Se₃ 来应对这种僵化。这种材料像光学变色龙：在晶态与无定形（更类似玻璃）状态下，其折射率有显著差异。通过使用聚焦激光脉冲，团队可以将选定的 Sb₂Se₃ 波导在这两种状态之间切换，且切换后的状态在激光关闭后仍然保持。因为 Sb₂Se₃ 波导直接嵌入到承载光的网络中，改变其相并不只是微调单一参数；它实际上会改变共享完全相同条件的光模式数量，从而重塑几何演化所发生的抽象空间。

在两路和三路共享之间切换

为使概念具体化，研究者设计了一个由五个紧密排列的波导构成、分布在三层垂直层次的结构。四个由硅制成，一个位于顶层的是 Sb₂Se₃。光被注入两个硅波导。当 Sb₂Se₃ 波导处于晶态时，其光学特性与硅显著不同，因此系统有效地支持两个主要的共享光模式。在这种情况下，光经历受控的两通道几何旋转，同时大体上忽略 Sb₂Se₃ 通道。当该波导被切换到无定形状态时，其折射率几乎与硅匹配，第三种共享模式便出现。芯片在输入和输出端仍表现为两通道的旋转器，但光的内部路径现在在三路空间中绕行，导致不同的几何相位，从而在完全相同的物理布局下实现不同的旋转。

构建多级光学控制

由于每个这样的单元可以根据所存材料状态以至少两种不同的几何方式工作，作者可以将它们像数字位一样串联起来。两个级联单元已经产生了三种不同的旋转等级；三个单元则能实现八种不同的三通道变换，使用一种称为 Givens 旋转的数学配方进行组合。实验确认这些多级操作与理论预期高度一致，即使在反复写入和擦除循环后也具有高保真度。相同的构建模块可以排列成更复杂的网格，使多通道光在彼此之间“编织”绕行，支持可编程的光学交换方案，这对经典的数据路由和基于拓扑风格的量子控制都具有相关性。

从概念到未来器件

简单来说，这项工作提出了一种不仅能存储数据，而且能存储光被处理规则的光学芯片，并能用光脉冲重写这些规则。通过将天然抵抗多种噪声源的几何演化与非易失性相变材料相结合，作者展示了一条通向容错、低功耗光子硬件的路径。这类器件可作为可重构光学神经网络、数据中心中灵活的交换结构的基础，并最终用于依赖光路径几何而非脆弱、精细调节相位的稳健量子处理器。

引用: Chen, Y., Zhang, J., Xiang, J. et al. In-memory multilevel control of generic SO(m) holonomy in photonics. Nat Commun 17, 2480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69287-2

关键词: 集成光子学, 相变材料, 几何相位, 光学计算, 全向量子控制