2026年7月9日——渥太华大学及其量子技术研究所（Nexus for Quantum Technologies Institute）的一个研究团队，与意大利费德里科二世大学的研究人员合作，开发出了一种可编程量子模拟器。该模拟器通过塑造光束来复制粒子在复杂材料中的运动方式，从而避免了对日益庞大的电子硬件的需求。

研究人员没有将复杂的电路连接在一起，而是精心塑造光子的空间模式和偏振（这两个光子内部自由度），使它们以电子在晶体内部相同的方式演化。三块被称为空间光调制器的可编程光屏承担了主要工作，只需进行一次简单的软件更新，就能为新的模拟重新配置整个实验。

渥太华大学物理系正教授Ebrahim Karimi说：“我们编程光结构的方式，就像音乐家调校乐器。每种配置都让光子穿越一种不同的虚拟材料，我们可以在数百种配置之间切换，而无需触碰光学元件。”

光承担主要工作

该团队用经典激光和单个光子验证了这一平台，运行了超过300种不同的量子过程，并将单个输入光束扩散到数千个输出通道中。在一组实验中，该模拟器重现了拓扑材料的典型特征，即其内部几何结构能保护电子免受干扰的奇异物质相，这一现象是下一代电子学的核心。

Prof. Karimi团队的高级研究助理Alessio D'Errico博士说：“拓扑是凝聚态物理学中的一个热门话题，但直接测量其效应是出了名的困难。我们的光学平台让我们能够在相机上实时观察这些效应的展开。”

该系统的应用范围远超平面网格。通过重新编程光学模式，同一个装置可以模拟粒子在闭环、圆柱体和甜甜圈形状表面上的运动，这些几何结构捕捉了先进量子材料的特性，而这些特性在纯粹的光子实验中极少（即使有）被重现过。

D'Errico博士解释说：“环面或圆柱体听起来可能很抽象，但这些形状编码了真实的物理现象。能够在单个可重构的桌面装置上探索所有这些形状，对于量子模拟来说确实是向前迈进了一步。”

一种新型量子实验室

由于信息存在于光中，量子演化的每个阶段都可以直接拍摄下来，这让研究人员能够异常清晰地观察到通常深埋在固态器件内部的动力学过程。这项工作开辟了一条道路，可以利用紧凑的光子平台来研究量子输运、探测拓扑现象，并为未来的量子技术构建原型模块。

Karimi教授总结道：“我们基本上将光变成了一个可控的量子物质研究实验室。复杂动力学可以被设计、观察和理解，其清晰度是以前根本无法企及的。”

该研究成果出现在两项2026年的出版物中：一篇是发表在《自然》杂志《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上的论文《Compact and programmable large-scale optical processor in free space》，作者包括：Maria Gorizia Ammendola、Nazanin Dehghan、Lukas Scarfe、Alessio D'Errico、Francesco Di Colandrea、Ebrahim Karimi和Filippo Cardano。

另一篇是发表在《先进光子学》（Advanced Photonics）上的论文《Programmable photonic quantum walks on lattices with cyclic, toroidal, and cylindrical topology》，作者包括：Alessio D'Errico、Nazanin Dehghan、Maria Gorizia Ammendola、Lukas Scarfe、Roohollah Ghobadi、Francesco Di Colandrea、Filippo Cardano、Ebrahim Karimi。