人類在三維空間中體驗世界，但日本的一項合作開發了一種創建合成維度的方法，以更好地理解宇宙的基本規律，並可能將其應用於先進技術。他們於1月28日在《科學進展》雜誌上發表了他們的研究成果。

論文作者、橫濱國立大學電氣和計算機工程系教授Toshihiko Baba說：“過去幾年，維度的概念已經成為當代物理學和技術不同領域的一個核心固定因素。雖然對低維材料和結構的研究是富有成效的，但拓撲學的快速發展已經發現了更多潛在的有用現象，這些現象取決於系統的維度，甚至超越了我們周圍世界的三個空間維度。”

拓撲學指的是幾何學的延伸，它在數學上描述了具有在連續變形中保留的屬性的空間，如莫比烏斯帶的扭曲。據Toshihiko 說，當與光結合時，這些物理空間可以以一種允許研究人員誘發高度複雜現象的方式被引導。

在現實世界中，從一條線到一個正方形再到一個立方體，每個維度都提供了更多的信息，同時也需要更多的知識來準確描述它。在拓撲光子學中，研究人員可以創建一個系統的額外維度，允許更多的自由度和對以前無法獲得的特性進行多方面的操作。

Toshihiko說：“合成維度使得在低維設備中利用高維概念成為可能，並降低了複雜性，同時也推動了關鍵設備的功能，如片上光學隔離。”

研究人員在矽環形諧振器上製造了一個合成維度，使用的是用於製造互補金屬氧化物半導體（CMOS）的相同方法，這種計算機芯片可以存儲一些內存。環形諧振器根據特定的參數，如特定的帶寬，應用導向器來控制和分割光波。

據Toshihiko說，矽環形諧振器光子裝置獲得了“梳狀”的光學光譜，產生了對應於一維模型的耦合模式。換句話說，該裝置產生了一個可測量的屬性–一個合成維度–使研究人員能夠推斷出系統的其他部分的信息。

雖然所開發的設備由一個環組成，但更多的環可以堆疊起來，以產生級聯效應并快速表徵光頻信號。Toshihiko表示，關鍵是，他們的平台，即使有堆疊的環，也比以前的方法小得多，而且緊湊，以前的方法採用光纖連接到各種組件。

Toshihiko表示：“一個更可擴展的矽光子芯片平台提供了一個相當大的進步，因為它允許具有合成尺寸的光子學受益於成熟和復雜的CMOS商業製造工具箱，同時也為多維拓撲現象引入新型設備應用創造了條件。 ”

Toshihiko說，該系統的靈活性，包括根據需要重新配置的能力，補充了真實空間中的等效靜態空間，這可以幫助研究人員繞過真實空間的尺寸限制，了解甚至超越三維的現象。

“這項工作顯示了拓撲和合成維度光子學可以通過矽光子學集成平台實際使用的可能性，”Toshihiko說。“接下來，我們計劃收集所有拓撲和合成維度的光子元素，以建立一個拓撲集成電路。”