导读

在光子信息处理与量子模拟领域，开发可编程、大规模、低损耗的自由空间光学处理器对突破传统集成光子电路局限、推进高维量子技术发展具有关键意义。近日，加拿大渥太华大学与意大利那不勒斯费德里科二世大学等联合团队首次实现了基于三层空间光调制器的紧凑型可编程大规模自由空间光学处理器。该处理器通过将信息编码在圆偏振和量化横向动量定义的结构化光模式中，借助解析逆设计方法与空间依赖的偏振变换技术，仅用三层光学结构就完成了传统方案需数十甚至数百层才能实现的高维幺正变换，可将单个输入模式分布至七千余个输出模式，同时支持含无序、拓扑效应等多种量子行走动力学，为自由空间光学处理器的规模化应用开辟了新路径。该研究成果发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Compact and programmable large-scale optical processor in free space”，Maria Gorizia Ammendola为论文的第一作者，加拿大渥太华大学Francesco Di Colandrea与意大利那不勒斯费德里科二世大学Filippo Cardano为论文的共同通讯作者。

研究背景

光子信息处理在通信、量子计算、量子模拟等领域具有关键作用。然而，现有光子处理器技术存在显著局限：集成光子电路虽为主流，但其对光模式的操控受限于波导结构，难以直接灵活地处理多种结构化光模式；自由空间光学处理器虽能提供宽带宽和灵活的光操控能力，却面临电路深度随系统规模增长的问题，导致可扩展性差且光学损耗较高。多平面光转换系统等方案依赖迭代优化，不仅设计复杂，且层数会随模式数量增加而增多，而静态液晶超表面方案虽能减少层数，却缺乏动态可编程性，难以满足多样化的处理需求。

此外，当前自由空间光子处理器研究还存在两方面未解决的核心问题：一方面，传统自由空间架构难以同时实现高维幺正变换的精确性与动态可编程性，要么依赖大量光学层导致损耗增加，要么因缺乏灵活调控能力无法适配不同任务；另一方面，空间光调制器通常仅用于标量场的相位调控，其在空间依赖的偏振变换方面的潜力未得到充分发挥，且如何通过少量光学层实现大规模光模式耦合，同时保证低损耗和高稳定性，仍是尚未攻克的技术难题，制约了自由空间光学处理器的规模化实用化。

创新研究

为解决上述问题，研究团队创新性地提出基于三层空间光调制器与半波片组合的自由空间光子处理方案（如图1）。通过将信息编码在圆偏振和量化横向动量定义的结构化光模式中，借助解析逆设计方法实现平移不变的高维幺正变换，仅用三层光学结构就完成了传统方案需数十甚至数百层才能实现的量子行走模拟，成功将单个输入模式分布至七千余个输出模式，突破了自由空间光学处理器电路深度随系统规模增长的核心局限。

图1：基于空间光调制器的可编程光子电路。

研究人员开发了兼具动态可编程性与全光场调控能力的实验平台（如图1系统架构）。首次利用商用液晶空间光调制器实现空间依赖的偏振变换，通过远程控制液晶分子的面外取向，无需更换光学元件即可灵活切换三百余种不同的模式耦合幺正变换，同时兼顾空间与矢量自由度的全面调控，无需筛选特定偏振分量或衍射级次，解决了传统静态液晶超表面缺乏重构能力、多平面光转换技术依赖迭代优化的问题。

研究团队还进一步优化了实验系统设计与表征方法（如图2-5实验结果展示）。验证了平台在量子光学领域的兼容性，同时成功模拟了含无序、合成规范场及拓扑效应等多种量子行走动力学，为高维量子模拟与可扩展光子信息处理提供了稳定高效的解决方案。

图2：基于三层空间光调制器实现的一维和二维量子行走。

图3：动态无序与电场调控量子行走。

图4：一维和二维晶格中拓扑特性的测量。

图5：单光子实验。

总结与展望

该研究成功构建了基于三层空间光调制器的紧凑型可编程自由空间光学处理器，通过解析逆设计方法与空间依赖的偏振变换技术，在仅三层光学结构中实现了高维平移不变幺正变换，成功模拟了一维和二维量子行走、拓扑效应、布洛赫振荡等多种复杂动力学过程，单个输入模式可分布至七千余个输出模式，且在单光子体系中验证了平台的量子兼容性。实验结果与理论预测高度吻合，证明了该平台在保持低损耗、高稳定性的同时，具备动态可编程与大规模扩展能力，为自由空间光子信息处理突破电路深度与可扩展性瓶颈提供了全新解决方案。

未来可通过优化空间光调制器的像素分辨率与填充因子，进一步降低别名效应与光学损耗，提升高维幺正变换的精度；借助几何参数与材料特性的精准调控，拓展平台对非平移不变操作的支持，实现准晶体模拟、多光子量子协议等更复杂任务。此外，该平台的可编程偏振操控能力可与集成光子技术结合，推动紧凑化、模块化的高维量子模拟与光计算器件发展，在量子通信、人工智能等领域展现出广阔应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02236-2