导读

近日，南京大学现代工程与应用科学学院李涛、宋万鸽课题组通过逆向绝热性控制方法，实现了分立系统绝热问题中的最优解——“绝热性控制极限”，并在硅波导中基于受激拉曼绝热通道（STIRAP）过程演示了其能够同时达到最佳的紧凑性和鲁棒性。该成果以“Approaching Optimal Light Evolution at Adiabaticity Control Limit in Inverse-designed Waveguides”为题发表于物理学顶级期刊（Phys. Rev. Lett. 135, 266601 (2025)）上。论文第一作者是南京大学现代工学院23级直博生刘轩宇，共同通讯作者为李涛教授和宋万鸽副教授，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。

研究背景

物态的动力学演化是量子信息处理与集成光子学的核心议题。在该领域中，如何在保证高保真度的前提下加速系统演化以缩小器件尺寸，始终是一个关键挑战。传统的绝热演化方案虽然能有效抑制模式串扰，但往往伴随着极长的演化时间或巨大的器件长度；而旨在加速演化的绝热捷径技术，虽然缩短了时长，却通常以牺牲系统的抗噪性能为代价。

长期以来，物态演化时长与模式串扰被视为一对难以调和的矛盾。尽管理论上存在一个平衡两者的根本边界，即“绝热性控制极限”（ACL），但传统的正向设计方法由于缺乏对串扰的定量控制能力，难以精准定位这一物理极限。这导致设计出的结构难以达到最优解，无法在紧凑性与鲁棒性之间取得完美平衡。

研究亮点

本研究提出逆向绝热性调控框架，通过引入“可容忍串扰度”作为全新维度做优化参数，实现对演化过程中本征模式串扰的定量控制，从而准确定位ACL。以受激拉曼绝热通道 STIRAP过程为例，研究人员构建了绝热演化的全局图谱，首次揭示系统在ACL上可同时实现最短演化时间与最高鲁棒性。他们通过硅基波导实验证实该方法的优越性，阐明了常规绝热捷径方案通常存在鲁棒性下降的根源，证明了消除冗余获得最佳紧凑性与鲁棒性的通用方案，为光子集成器件设计提供新范式。

逆向设计原理如图1所示：演化目标由输出态与目标态的保真度量化，其受演化时长与模式串扰共同制约。传统方法因无法定量调控串扰难以平衡二者，而逆向设计通过全局优化时长-串扰参数组合下的最大保真度，揭示了四类演化模式：绝热演化、冗余演化、演化不足及类STA演化。当保真度趋近于1时，系统抵达ACL——此时演化以最短时长与最小串扰无冗余抵达目标态。传统设计常陷入冗余演化，逆向设计则突破该限制，开辟了高效鲁棒态调控的新路径。

图1 逆向绝热性控制的示意图以及四种典型演化方式。

STIRAP模型描述了通过量子暗态实现抗噪的绝热布居转移，其量子过程可在光波导阵列中可以通过耦合模理论精确实现（图2(a)）。耦合系数c₁与c₂通过插值点调控，c₁从0增至最大值，c₂则呈反向变化。保真度表征输出态与目标态的重叠度（图2(b)）：理想绝热演化时系统始终跟随暗态；实际过程存在向其他模式的跃迁（图2(c)），需通过动态回归实现高保真输出。为此定义平均串扰量化绝热性偏离，构建优化问题：在约束平均串扰低于可容忍上限时，通过梯度下降算法最大化保真度。

图2 STIRAP中的逆向设计原理。(a) 光波导中实现能量转移的函数框架。(b) STIRAP过程模式分布变化的示意图。(c) 左：本征态布居数演化；右：约束平均串扰的非线性条件。(d) 正向设计与逆向设计对比：正向设计直接输出结果，逆向设计在给定的参数约束下求最优解。

模拟结果（图3(a)）揭示了参数空间中逆向设计的最优保真度分布，与图1的理论预测一致。图中标记的四类演化策略在零模布居演化曲线（图3(b)）中呈现显著差异：I类（绝热演化）全程保持高布居度，IV类（类STA）通过受控非绝热性加速转移，III类（演化不足）因时长不足中断转移，II类（冗余演化）则引入无效振荡。这表明ACL本质是在给定串扰约束下可实现的最速态演化方案。为验证可行性，研究人员在绝缘体上硅（SOI）光波导平台制备了四类结构（图3(c)）。全波仿真（图3(e)-(h)）与实验测量（图3(i)-(l)）均表明：中间波导光强变化与理论预测高度吻合，输出光场在不同演化时长截面的分布验证了逆向设计策略在光子体系中的有效性。

图3结果与实验验证。（a）最优保真度随演化时长与可容忍串扰变化的相图。（b）传播过程中的零模占比变化。（c）硅波导示意图。（d）波导阵列光传输的CCD记录。(e-h)优化波导光场仿真及对应SEM图像。(i-l) 传播过程各截面的输出光强分布。

相比传统设计，逆向设计能够精准定位至ACL，实现无冗余演化的最紧凑方案。强无序扰动下，其保真度标准差显著降低（图4(a)）；固定串扰约束时，ACL点同时实现最高保真度与最低涨落（图4(b)）。这揭示ACL的双重优化本质：相同串扰约束下获最短时长，即最优紧凑性；相同时长约束下生最小平均串扰，即最高鲁棒性。传统方法因偏离ACL引入额外串扰导致性能劣化。这一发现为光子集成与量子计算提供了关键准则。

图4 ACL的鲁棒性优势。（a）强无序扰动下保真度标准差分布。（b）ACL处实现最优鲁棒性的结果。

总结与展望

研究人员通过逆向设计，构建了非绝热态演化最优解的全新调控方案。以STIRAP为范例，通过逆向设计演示了如何实现高保真度的目标输出，并在集成硅波导实验中得到验证。本工作关键突破在于首次抵达绝热性控制极限（ACL）——该边界同时消除演化冗余并实现最优鲁棒性，为优化量子与光子器件提供全新理论基础。

该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zwt9-79zy

文章来源于两江科技评论微信公众号。