Kvantová fotonika s nehermitovskými systémy

Všechny fyzikální systémy spadají od jedné ze dvou skupin: systémy konzervativní neboli hermitovské, kde se zachovává energie celého systému, a systémy nekonzervativní neboli nehermitovské, kde může energie nevratně proudit mezi systémem a jeho okolím.

Oba typy systémů mohou vykazovat kritické body (singularity), kdy se chování systémů zásadně mění. Hermitovské i nehermitovské systémy mohou mít spektrální singularity, nazývané diabolické (DP), resp. výjimečné body (EP). Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma singularitami spočívá v tom, že zatímco v DP splývají pouze frekvence systému, ale vlastní vektory zůstávají ortogonální, v EP splývají jak frekvence systému, tak jeho vlastní vektory (módy). Jinými slovy, u DP se dimenzionalita systému zachovává, u EP se nutně zmenšuje. Tato druhá skutečnost může vést k různým netriviálním jevům, které nemají v hermitovských systémech obdoby, např. jednosměrné šíření světla, jednomodové laserové záření nebo extrémní spektrální citlivost, abychom jmenovali alespoň některé.

V předchozích pracích byly vlastnosti DP a EP vždy zkoumány odděleně. V nedávné studii publikované v Nature Communications vědci ze Společné laboratoře optiky v Olomouci ve spolupráci s kolegy z Polska, Švýcarska, USA a Japonska poprvé teoreticky prokázali, že současným využitím vlastností EP i DP lze realizovat univerzální programovatelný fotonický multimódový přepínač. Konkrétně, specifickou volbou dynamických trajektorií v prostoru parametrů systému, které zahrnují současné obcházení EP a procházení DP, je možné libovolně přepínat mezi dvěma různými režimy systému (jak je znázorněno na obr. 1 níže). Nejvýraznějším rysem takového přepínání je, že lze kontrolovatelně volit mezi chirálními a/nebo symetrickými režimy přepínání, což je neproveditelné, pokud se spoléháme pouze buď na DP, nebo pouze na EP. Prezentované výsledky tak otevírají nové perspektivy pro manipulaci se světlem v multimódových systémech, které lze využít pro vývoj nových fotonických výpočetních a komunikačních protokolů v klasické i kvantové oblasti.

Obr 1. Programovatelný multimódový přepínač: Obcházení výjimečných bodů (EP) a procházení diablickými body (DP) ve čtyřmodovém systému. Svislá osa ve všech panelech je reálná hodnota energie Re(E). (a) Čtyři barevné kuličky představují vlastní módy systému v počátečním čase t=0. Počáteční stav je charakterizován dvěma oddělenými výjimečnými body, EP (označeny oranžovými šipkami). Jeden z EP leží na průniku červeného a žlutého Riemannova listu a druhý EP leží na průniku zeleného a modrého listu. (b) Když trajektorie systému projde diabolickým bodem (DP) v polovině periody (znázorněn šedou kuličkou), čtyři různé Riemannovy energetické listy se spojí. Poloha DP se nachází na průniku dvou párů rovin (červeného a žlutého listu a modrého a zeleného listu). (c) Konečný stav v čase t = T: vlastní módy se vymění vzhledem k počátečním módům a toto přepnutí lze uskutečnit řízeným způsobem.

I. Arkhipov, A. Miranowicz, F. Minganti, S. K. Ozdemir, F. Nori, Nat. Commun. 14, 2076 (2023).