論文の概要: A hybrid-frequency on-chip programmable synthetic-dimension simulator with arbitrary couplings

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.15470v1
• Date: Thu, 21 Aug 2025 11:46:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-22 16:26:46.299692
• Title: A hybrid-frequency on-chip programmable synthetic-dimension simulator with arbitrary couplings
• Title（参考訳）: 任意の結合を有するハイブリッド周波数オンチッププログラマブル合成次元シミュレータ
• Authors: Xiao-Dong Zeng, Zhao-An Wang, Jia-Ming Ren, Yi-Tao Wang, Chun Ao, Wei Liu, Nai-Jie Guo, Lin-Ke Xie, Jun-You Liu, Yu-Hang Ma, Ya-Qi Wu, Shuang Wang, Pei-Yun Li, Zong-Quan Zhou, Mu Yang, Jin-Shi Xu, Xi-Wang Luo, Jian-Shun Tang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo,
• Abstract要約: 大規模複雑なシミュレーションは任意の結合構成が可能なアーキテクチャを必要とする。 共振器内および共振器間共振器間共振器を併用したハイブリッド周波数合成次元シミュレータアーキテクチャを提案する。 この結果から,任意の結合を持つ大規模複雑なオンチップシミュレータの実現が期待できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.970928708947552
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: High-performance photonic chips provide a powerful platform for analog computing, enabling the simulation of high-dimensional physical systems using low-dimensional devices with additional synthetic dimensions. The realization of large-scale complex simulations necessitates an architecture capable of arbitrary coupling configurations (encompassing symmetric, asymmetric and long-range coupling schemes) which is also crucial for scaling up. Previous approaches rely on excessive physical components to introduce asymmetric coupling, however, are restricted in reconfiguring and scaling by the relatively complicated structures. Here, to solve this problem, we propose a hybrid-frequency synthetic-dimension simulator architecture that combines both intra-resonant and inter-resonant frequency-lattice sites, and experimentally demonstrate it using the thin-film lithium niobate (TFLN) photonic chip. Employing this hybrid programmable architecture, we are able to simulate both the regular and long-range coupled forms of diverse compound-lattice models, such as the Hall ladder, Creutz ladder (symmetric) and Su-Schrieffer-Heeger (SSH, asymmetric) model, on a single chip, simultaneously reducing the experimental requirements significantly. As results, the direct readout of the bandstructure of the SSH model is able to be achieved, to be distinguished from all previous works, and important phenomena such as spin-momentum locking, topological flat band and Aharonov-Bohm cage effect are also observed with lower experimental requirements. Furthermore, applications like piecewise-continuous optical frequency shifting can be enabled by cascading our devices. Our results offer promising insights for future large-scale complex on-chip simulators with arbitrary couplings.
• Abstract（参考訳）: 高性能フォトニックチップはアナログコンピューティングの強力なプラットフォームを提供し、新しい合成次元を持つ低次元デバイスを用いた高次元物理システムのシミュレーションを可能にする。 大規模複素シミュレーションの実現には、任意のカップリング構成(対称性、非対称性、長距離カップリングスキームを包含する)が可能なアーキテクチャが必要である。 しかし、従来のアプローチは非対称結合を導入するために過度な物理成分に依存していたが、比較的複雑な構造による再構成とスケーリングに制限されている。 本稿では, 共振器内および共振器間共振器間共振器を併用したハイブリッド周波数合成次元シミュレータアーキテクチャを提案し, 薄膜ニオブ酸リチウム(TFLN)フォトニックチップを用いて実験的に実証した。 このハイブリッドプログラマブルアーキテクチャを用いることで、ホール・ラグ、クルーツ・ラグ(対称)、スー=シュリーファー・ヘーガー(SSH、非対称)モデルのような様々な複合格子モデルの正規および長距離結合形式の両方を単一チップ上でシミュレートし、同時に実験的な要求を大幅に低減することができる。 その結果,SSHモデルのバンド構造の直接読み出しが可能であり,スピンモーメントロック,トポロジカルフラットバンド,アハロノフ・ボームケージ効果などの重要な現象も,より低い実験条件で観測できることがわかった。 さらに, デバイスをカスケードすることで, 片方向連続光周波数シフトなどの応用が可能となる。 この結果から,任意の結合を持つ大規模複雑なオンチップシミュレータの実現が期待できる。

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