近日，Physical Review Letters（物理评论快报）（论文链接：  https://journals.aps.org/prl/abstract/
10.1103/PhysRevLett.122.083903 ） 以 “Photonic gauge potential in one cavity with synthetic frequency and orbital angular momentum dimensions“为题，在线发表上海交通大学物理与天文学院袁璐琦特别研究员及其合作者完成的有关在单个光学腔中，利用人工合成频率维度和轨道角动量维度形成光学规范场的理论工作。

光子学中人工合成空间的概念在最近几年中被研究者提出并得到了广泛的关注，是当前光子学与光学研究领域中的一个新兴课题，[具体可参阅最新综述文章Optica5, 1396 (2018)]。利用光的内在自由度，例如光的频率或者光的轨道角动量，人们分别提出了通过耦合拥有不同的光频率或光轨道角动量的光学模式来构建额外的合成维度。通过把一维合成维度与一维实空间维度结合，人们能够研究二维人工合成空间内的光学物理现象。

左图：由光的频率和光的轨道角动量组成的二维人工合成空间；右图：在合成空间中纠缠光子对的受拓扑保护的单向边界态。

本文第一次提出了在单个光学腔中，有机结合光的频率和轨道角动量两种内在自由度，构建一个不依赖于实空间维度的二维人工合成空间。在这个合成空间中，通过调节光学腔的内部设计，可以产生二维的等效光学规范场，并因而得到一个作用于光子的等效磁场。该光学系统在合成空间中支持非互易单向边界态，并可以被用来在受拓扑保护下量子操控纠缠光子对。

这项理论工作聚焦于在零维度光学系统（单个光学腔）中实现二维合成空间，为未来相关实验的开展提供了极大的便利。另外，该合成空间包含了两个光的内在自由度，因此提供了一个新颖的光学平台来研究多自由度的量子纠缠态。这些研究成果在量子光通信领域有潜在的应用价值。

本项研究通过国际合作完成，合作者包括美国斯坦福大学的Shanhui Fan教授，上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授。