在物理学领域，合成维度 (SD) 已成为活跃研究的前沿之一，为探索传统 3D 几何空间之外的高维空间中的现象提供了一条途径。这一概念引起了极大的关注，特别是在拓扑光子学领域，因为它有可能解锁传统维度中无法获得的丰富物理知识。研究人员提出了各种理论框架来研究和实现SD，旨在利用合成规范场、量子霍尔物理、离散孤子和四维或更高维度的拓扑相变等现象。这些提议可能会带来对物理学的新的基本理解。
传统 3D 空间的主要挑战之一是实验实现具有特定耦合的复杂晶格结构。 SD 提供了一种解决方案，它提供了一个更易于访问的平台，用于创建具有各向异性、长距离或耗散耦合的复杂谐振器网络。这种能力已经导致了非厄米拓扑缠绕、宇称时间对称性和其他现象的突破性演示。系统内的各种参数或自由度，例如频率模式、空间模式和轨道角动量，可用于构建SD，有望在从光通信到拓扑绝缘体激光器等各个领域得到应用。
该领域的一个关键目标是构建“乌托邦”谐振器网络，其中任何一对模式都可以以受控方式耦合。实现这一目标需要在光子系统内进行精确的模式操纵，从而为增强数据传输、能量收集效率和激光阵列辐射度提供途径。
现在， 据《先进光子学》报道 ，一个国际研究团队已经创建了可定制的波导阵列来建立合成模态尺寸。这一进步允许有效控制光子系统中的光，而不需要非线性或非厄米性等复杂的额外功能。南开大学陈志刚教授指出：“在系统内调整不同光模式的能力使我们离实现‘乌托邦’网络又近了一步，其中实验的所有参数都是完全可控的。”
在他们的工作中，研究人员调制传播的扰动(“摆动频率”)，以匹配不同光模式之间的差异。为此，他们采用人工神经网络(ANN)来设计真实空间中的波导阵列。人工神经网络经过训练，可以创建具有所需模式模式的波导设置。这些测试有助于揭示光如何在阵列内传播和限制。最后，研究人员演示了如何使用人工神经网络来设计一种特殊类型的光子晶格结构，称为 Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 晶格。该晶格具有特定的功能，可以对整个系统的光进行拓扑控制。这使得他们能够改变光传播的体模式，展示其合成维度的独特属性。
这项工作的意义是重大的。通过微调波导距离和频率，研究人员旨在优化集成光子器件的设计和制造。萨格勒布大学的 Hrvoje Buljan 教授评论道：“除了光子学之外，这项工作还让我们得以一睹几何学上难以理解的物理学。它有望应用于从模式激光到量子光学和数据传输的各种应用。” Chen 和 Buljan 都指出，人工神经网络支持的拓扑光子学和合成维度光子学的相互作用为发现开辟了新的可能性，可能会带来前所未有的材料和设备应用。
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