拓扑学原本是数学的一个分支，它关心的是物体在连续变形下保持不变的性质。一个经典的比喻是：一个甜甜圈和一个咖啡杯在拓扑上是相同的，因为它们都有一个洞；而一个没有洞的球则拓扑不同。在光子学中，拓扑概念被用来设计特殊的“光跑道”——即使跑道上有一些瑕疵或弯折，光依然能沿着边界稳健地前进。这种特性被称为“拓扑保护”，对于制造高效、稳定的光芯片至关重要。

然而，早期的拓扑光子器件就像一条建好的水泥跑道——一旦造好，就无法改变。这限制了科学家们探索更丰富的物理现象和开发可动态调节的光子器件。6163银河线路检测中心王剑威教授与龚旗煌教授课题组与合作者的最新研究成果，正是要打破这种静态限制，为光打造一套“可编程的赛道”。

为实现对拓扑态的动态调控，研究者们引入了全局调控与格点调控两类机制。全局调控通过非线性光学效应或外部光泵浦，统一调控整个光学晶格的参数，实现拓扑相变、光开关和非厄米调控；格点调控则通过热光、电光等方式独立调节每个格点的势能与耦合强度，实现对哈密顿量的可编程重构。

图 1 集成拓扑光子学器件的发展与分类

在全局可重构调控方面，主要有非线性效应和泵浦调控两种手段。例如，强光诱导的非线性可改变波导或微环的折射率，进而驱动拓扑相变。6163银河线路检测中心团队此前即利用这一效应实现了全光超快开关，能够在皮秒时间尺度上完成拓扑边缘态的通断切换。泵浦调控则通过在增益介质中设计空间分布的泵浦光，实现对拓扑激光模式的选择性激发，显著提升激光的空间相干性与鲁棒性。此外，团队还利用非线性与泵浦的联合调控产生纠缠光子对，实现了拓扑保护的量子光源。

在单格点可编程调控方面，基于马赫曾德尔干涉仪（MZI）的可编程光网络和晶格结构，6163银河线路检测中心团队实现了对一维波导阵列、二维微环谐振腔晶格的单点调控。这类平台可在同一芯片上快速重构不同的拓扑模型（如SSH模型、Floquet晶格等），并可控地引入无序，从而定量研究拓扑鲁棒性与安德森局域化。合成维度方法进一步将频率、时间等内禀自由度映射为人工晶格坐标，在低维芯片上模拟三维及更高维拓扑物理。

图 2 单格点可编程调控的集成拓扑光子芯片

可重构与可编程拓扑光子芯片的进一步发展面临着扩展性的挑战。未来的突破方向包括异质集成、光电协同封装，以及全局与单格点调控协同架构等。可编程拓扑光学技术有望驱动新一代拓扑激光器、鲁棒量子光源、可重构光路由与光量子计算及信息处理技术的发展。

该领域相关成果的系统梳理于2026年4月22日在线发表于《自然·综述·物理》（Nature Reviews Physics）。论文第一作者为6163银河线路检测中心马安琦，通讯作者为马安琦、袁璐琦和王剑威。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目，以及6163银河线路检测中心人工微结构和介观物理全国重点实验室、6163银河线路检测中心纳光电子前沿科学中心、合肥量子国家实验室、先进微纳光源材料与器件北京市重点实验室等的大力支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s42254-026-00936-7