二维物理系统中存在一种准粒子叫任意子，它的统计特性不同于玻色子（如光子）和费米子（如电子）。当交换两个服从非阿贝尔统计的任意子时，它们可以获得介于0和π之间的相位变化，这一操作也叫做在世界线上对任意子进行编织。任意子的非阿贝尔编织操作可以被用来实现受拓扑保护的量子计算，目前最被寄予希望的候选者是马约拉纳任意子（零能模），但是其编织操作仍未在实验上实现。非阿贝尔编织操作本质上是实现一个幺正矩阵变换，而矩阵中的相位因子可以用经典波体系的贝里几何相位构造，这给非阿贝尔编织在经典波中的实现和应用架起了桥梁。几何相位在光子学中早已获得了广泛的研究和应用，但这些研究中利用的贝里几何相位大多是一个相位因子，与之对应的具有非阿贝尔特性的贝里相位矩阵在光子学中仍未被广泛研究，其实现将为我们提供幺正矩阵等新的手段来操控光子，而这正是光子芯片上进行信息处理和运算所需要的重要功能。

针对贝里相位矩阵在光子芯片上的巨大应用潜力，研究团队提出将非阿贝尔编织的概念引入到光子学中，设计和制备了基于非阿贝尔编织效应的集成光子芯片。集成光子芯片是后摩尔时期实现片上信息传输和处理的重要平台，研究团队选择了一种可以实现任意三维结构加工的工艺---飞秒激光直写技术---来进行光子芯片的制备。利用飞秒激光这把“锋利的刀”，研究团队在光子芯片上成功实现了多达五个光子模式的非阿贝尔编织现象，通过激光实验和单光子实验分别验证了非阿贝尔编织的重要特性---编织结果依赖于编织顺序，并通过巧妙的干涉实验提取了非阿贝尔规范势引起的贝里相位矩阵。该编织机制具有非常好的可拓展性，通过拓展编织模式的个数和编织步骤可以构造丰富的贝里相位矩阵，面向片上光量子逻辑等应用。未来通过拓展非阿贝尔编织机制到其它光学系统中，利用贝里相位矩阵作为新的自由度，将为研究者们提供更多的手段来操控光子。上述研究成果在线发表在Nature Photonics期刊上【Nature Photonics (2022), doi.org/10.1038/s41566-022-00976-2】。论文的共同第一作者为张旭霖副教授和博士生余峰，共同通讯作者为张旭霖副教授、田振男副教授以及清华大学的孙洪波教授和香港浸会大学的马冠聪教授。公司为第一完成单位。

光子芯片上多个光子态的非阿贝尔编织实验

张旭霖，ylzz总站线路检测副教授，博士生导师，公司“励新”优秀青年教师，公司“唐敖庆”青年学者。近年来从事非厄米光子学和拓扑光子学的研究，并将非厄米/拓扑新物理原理应用于新型片上光子器件的设计。以第一/通讯作者在包括Nature Photonics、Physical Review Letters、Physical Review X、Light: Science & Applications, Optica等重要专业期刊发表SCI论文20余篇。

田振男，ylzz总站线路检测副教授，博士生导师，公司“励新”优秀青年教师，公司“唐敖庆”青年学者。近年来致力于飞秒激光直写三维光子芯片技术及应用研究，作为核心技术骨干完成的国家重大项目“飞秒激光直写光量子集成芯片基础研究”结题评级为“特优”。成功制备深度跨越1mm三维玻璃阵列波导、转换效率高达96%的聚合物片上偏振路由，全周期控制定向耦合器等光子器件。以第一/通讯作者在包括Nature Photonics、Physical Review Letters、Laser & Photonics Reviews、Optics Letters等重要专业期刊发表SCI论文20余篇，申请国家发明专利10余项。