2026年3月19日——由宾夕法尼亚大学领导的科研团队首次证明，利用拓扑学（数学中一门深奥的分支，认为甜甜圈与咖啡杯在拓扑结构上等同）原理，可在芯片级可重构网络中安全引导多个携载信息的光信号。由于拓扑属性在物体形变时仍保持稳定——因此该领域将咖啡杯与甜甜圈视为等同（二者皆有一个开口）——这一突破有望使光计算与光通信技术变得更强大可靠。

“该团队已掌握利用拓扑原理引导光信号的技术，”宾夕法尼亚大学材料科学与工程系教授、兼任电气与系统工程系教职的冯亮（本研究通讯作者）在《自然·物理》发表的论文中表示，“但此前从未实现多路信号并行传输。”这为构建基于光通信的芯片网络开辟了新途径，同时保留了拓扑结构赋予的鲁棒性。“基于该原理引导的信号具有极高可靠性，”冯亮解释道，“就像为光建造了一条高速公路，即使存在巨大坑洼也不会影响交通——缺陷仿佛根本不存在。”

拓扑学的力量

从拓扑视角看，甜甜圈与咖啡杯完全相同：因二者各有一个开口，即使压扁甜甜圈或扭曲咖啡杯，其拓扑结构仍保持不变。

“这是一种非传统的世界观，”纽约市立大学物理学与天文学教授、论文合著者葛力表示，“但这些数学原理能催生出极其稳健的信息系统设计。”这种稳健性对光子技术尤为珍贵。传统光学系统中，光被限制在精密设计的结构内沿特定路径传播，但微小缺陷仍会导致光散射和信号中断。

拓扑光子系统提供了新思路：不依赖精密加工，而是让光沿系统拓扑定义的“特权通道”传播——即使存在缺陷，这些路径仍保持稳定。“缺陷不会改变系统拓扑，”葛力强调，“因此即便结构不完美，信号仍能沿原路径传输。”

单模传输的局限

尽管稳定性卓越，拓扑光子系统长期存在关键限制：每条受保护通道只能传输单一光束（即“模式”）。这就像单车道公路，限制了数据传输容量。2019年，冯亮团队在《科学》发表研究，演示了光在微环谐振器阵列中的拓扑保护传输，即使路径改变也能抵御缺陷干扰。该工作虽验证了光在复杂网络中的全路径拓扑保护传输，但仍仅支持单模传输。

赝自旋与边界调控

突破源于对光“赝自旋”态相互作用的理论洞见。通过精确设计晶格区域边界处的态耦合方式，研究人员发现可在同一位置同时创建多个受保护通道。“传统拓扑系统中，每个界面通常仅支持单一传播方向的保护模式，”论文共同第一作者、电气与系统工程系博士后吴天伟表示，“调控这些态的耦合关系后，我们实现了单一路径上的多通道拓扑传输。”

单车道变高速路

将理论转化为实用器件需要精确控制微环谐振器网络。团队必须精心制备使不同光态以特定方式相互作用的晶格，才能实现数学模型预测的多通道效应。“谐振器间耦合需精密调控，”共同第一作者、博士生冯曦霖指出，“但当所有条件满足时，我们观测到多个保护通道沿同一界面传播，即使引入缺陷仍不受影响。”这项成果将光的单车道升级为多车道高速路，为可扩展拓扑光子网络迈出关键一步。

未来展望

尽管当前系统仍属实验室演示，研究人员认为这是构建抗缺陷光信息网络的重要进展。未来工作将聚焦于增加保护通道数量、将设计集成至更大规模电路，并探索类似原理在复杂通信与计算系统中的应用。“光已是现代通信网络的支柱，”冯亮总结道，“现在我们将拓扑鲁棒性引入多信号并行传输系统。若能进一步扩大规模，这将成未来光子技术的强大平台。”