Nat. Commun. | 光子平行空间：一块光子材料里的两个宇宙

导读

平行空间与多重宇宙的概念最早诞生于量子物理与宇宙学，之后在众多科幻小说和电影宣传下变得老少皆知。例如：漫威宇宙中的奇异博士只需抬手画圈，便能开启一扇通往任何时空的“任意门”，来往于不同的平行世界——酷暑或严寒，过去或未来（图1），皆在一念之间。然而，至今为止，平行空间的理论和概念从未获得实验验证。

图1：平行空间示意图

近日，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授团队与香港科技大学陈子亭教授团队合作，首次在实验中成功构建了“光子平行空间”，即光子“看见”的平行空间。借助兼具超构材料与光子晶体特性的非局域人工材料（nonlocal artificial material），他们在这种材料的物理空间中并行地构造出两个互不影响的独立光学空间——具有截然不同的光学材料参数和分布的两种光学有效介质。也就是说，一块光学材料可以同时具有真空和玻璃的折射率，或者既是凸透镜又是凹透镜。而选择进入哪个“世界”的钥匙，仅仅取决于光线抵达这块材料表面的初始位置。通过不同表面，光子进入多个独立的“光学现实”，这就像奇异博士推开不同的“任意门”，步入截然不同的世界。同一位置，多重“现实”，这曾是天马行空的想象，如今在光的领域里成为了确凿的实验事实。 

该研究成果以“Nonlocality-enabled photonic analogies of parallel spaces, wormholes and multiple realities”为题发表于Nature Communications。南京大学宋彤彤博士后、景永鑫博士、沈昌慧博士生为论文第一作者。通讯作者为南京大学赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授与香港科技大学陈子亭教授。合作者包括南京师范大学褚宏晨副教授，苏州大学罗杰教授，武汉大学肖孟教授，香港科技大学张昭庆教授，南京大学贾润琪硕士、王聪博士。

在传统光学世界里，光穿过一块材料时，它所“感受”到的环境是唯一且确定的——就像你眼前有一只静止的蝴蝶，可以用一套折射率分布来描述（图2a）。也就是说，这块材料的光学参数分布（折射率）是唯一的光学现实。

团队设计的非局域人工材料打破了这一固有认知。不同于传统光学，它能同时承载两套截然不同的光学“现实”。具体来说，从材料左右表面入射的光，会“看到”一个对应蝴蝶的有效折射率分布；而从上下表面进入的光，则会“感知”到一片对应枫叶的有效折射率分布（图2b）。换句话说，同一块材料，对光而言，既是蝴蝶，也是枫叶，两种光学现实并行不悖，叠加共存。不妨做一个比喻：如果把光子想象为人，他将进入一栋神奇的建筑。从正门走进，发现它是一家图书馆；而从侧门进入，却发现它是一家咖啡馆。两批光子访客在同一栋楼中经历着完全不同的现实，互不干扰。光子平行空间，正是这样一座“空间魔术建筑”。

图2：光子平行空间概念示意图。a. 真实世界中的蝴蝶具有由 n(x,y) 表征的唯一的光学空间。b. 非局域人工材料同时具备两种光学空间，分别对应不同的折射率分布n₁ (x,y)  与 n₂ (x,y)

那么，这种神奇的现象是如何实现的？关键在于研究团队基于动量对非局域人工材料内部“光的通行规则”进行了精妙的重新编程。其原理图如图3所示。自然材料只有一套本征态系统和一套光学参数（图3a）。但在非局域人工材料中，研究人员预先设定了两套完全独立、互不干扰的“本征态系统”，对应于不同的动量（蓝色，红色等频率曲线）（图3b）。每种本征态的色散方程和场分布决定了它所对应的光学空间的折射率和阻抗等光学参数，因此共有两套光学参数。当外界光入射到不同边界时，激发了不同动量的本征态，表现为完全不同的光学空间。此外，动量不匹配使得激发的本征态在不匹配的边界处全反射，好似遇到一道无形的“完美屏障”。两种能带折叠方式完美解释了为何一种材料可以等效于两种有效介质（图3e）。数值仿真和实验完美证实了“光子平行空间”的真实存在，以及此材料边界在“通道”与“屏障”之间的转换（图3f，3g）。

图3：光子平行空间原理示意图。a. 普通材料的等频面。b. 具有红蓝双等频面的非局域人工材料等频率曲线，外部传播态光子仅能通过红色边界α或蓝色边界β分别激发沿k_x、k_y方向平移的本征态。c. 由于动量失配，人工材料内部红色（蓝色）等频面对应的本征态在边界β（边界α）处发生全内反射。d. 人工材料的能带结构。e. 在工作频率下，单晶胞与超晶胞的等频线，以及两种能带折叠方式。f. 点源激发全波仿真。g. 高斯光束入射全波仿真

在宇宙学和科幻世界中，虫洞是连接遥远宇宙的时空隧道，其本身在真实空间中难以被探测。至今，虫洞的存在还未被严格证实。然而，对于光子来说，模拟一个理想的“光子虫洞”（图4）只需要具备两大特性：第一，进入虫洞端口的光子像被禁锢在通道内一样，只能从一个端口抵达另一个端口；第二，虫洞结构本身是“隐形”的，即虫洞的外壁无反射或散射，不能被外界光探测到，因此虫洞好似不存在一样。

研究团队巧妙地利用“光子平行空间”框架，将这一构想变为现实。他们基于一个折射率近零的光学平行空间和另一个折射率非零但与自由空间完美阻抗匹配的光学平行空间构造了一条隐身的光通道——“光子虫洞”（图5a），并制备了实验样品（图5b，5c）。由于折射率近零，通过虫洞的光几乎不改变相位，实现了类似“瞬间传送”的效果(图5d)。而入射到虫洞侧面的光，则会进入折射率非零的光子平行空间，全角度阻抗匹配消除了反射与散射，导致了虫洞 的“隐身”（图5e）。作为对比，一个普通的介质波导的反射很难避免（图5f）。

图5：光子虫洞实验观测。a. 二维平面光学虫洞示意图。b. 实验装置图。c. 人工材料的实物照片、晶胞结构及等频线。d. 光束入射边界α（短边）时的模拟与实验结果。e. 光束以0°与45°入射边界β（长边）时的模拟与实验结果。f. 光束以45°入射PMMA介质波导长边时的模拟与实验结果

除了“光子虫洞”，研究团队还成功演示了“光学多重现实”的奇异现象。想象一下：在同一块物理介质中，一束光“看到”的是一艘帆船，而另一束光“看到”的却是一棵松树（图6a）。它们如同身处两个平行的“现实层”中，互不干扰，各行其道。

为实现这种效果，团队利用深度神经网络设计出了四类基础单元（I-IV）并像搭积木一样构建整体的非局域人工材料（图6b，6c）。主体材料单元为I。当把单元II以帆船形状嵌入I时，从左右入射的光会清晰地“感受到”一艘帆船；相反，从上下入射的光，则会因为进入另一个平行空间，其中I和II参数完美一致，因此不产生任何散射，好像帆船完全“消失”了（图6d）。通过类似的原理，研究人员还构建了一个更复杂的人工结构：从左右看是一艘“帆船”，从上下看则变成了一颗“松树”（图6e）。通过光散射的数值仿真，与正常帆船与松树的散射图案（图6f）进行比较，结果完美地验证了“帆船”和“松树”的光子平行空间。这两种器件共存于一块光子材料，独立工作、互不干扰。

图6：光学多重现实。a. 包含船形散射体与树形散射体的平行光学空间示意图。b-c. 两种由四类人工材料单元（I-IV）构成的人工材料的示意图，插表列出了各单元对应的等效参数。d-e. 高斯光束以0°、30°及60°入射到人工材料的α和β边界时的场强分布。f. 等效介质散射体在0°、30°及60°高斯光束入射下的强度分布

基于这一原理，研究人员得以在单一物理平台上实现以往难以想象的集成器件。例如，让同一块材料同时具备凸透镜和凹透镜的功能。由于两种“光学现实”的器件形状与功能均可独立、自由地设计，只需像重新排列组合积木一样，调整基础单元的布局，就能实现几乎任意两种光学器件的叠加。这代表了光学设计理念的一次重要进步。借助非局域人工材料，在同一个物理平台上让多种光学功能并行共存、互不干扰，为未来的高集成度光子芯片、复杂信息处理和新型计算架构发展，预示了一条全新的、充满想象力的技术路径。

“平行空间”、“虫洞”、“多重现实”，这些曾禁锢于科幻作品中的瑰丽想象，如今在非局域人工材料的精巧构筑下，真正走入了实验室，成为了可被模拟与控制的光学现象。有趣的是，实现这些“高维”现象并不需要真正地引入额外的空间维度。虽然目前光子平行空间的研究主要局限于电磁波，但其原理未来可推广至任何波动种类，如机械波、电子波等。

这项工作的意义还在于，它提出了一种完全不同于频率、空间、偏振等方式的多路复用（multiplexing）技术，可以将任意两个光学功能器件集成于同一空间内，并通过不同的边界独立工作和调控。这为光学设计提供了全新的维度。光子平行空间的理论概念有望为下一代高集成度光子芯片、紧凑型光学系统乃至光子信息处理注入新的活力。

Song, T., Jing, Y., Shen, C. et al. Nonlocality-enabled photonic analogies of parallel spaces, wormholes and multiple realities. Nat Commun 16, 8915 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63981-3