在目前光學領域里，有一個迅速發(fā)展的領域，被稱為結構光（Structured light），顧名思義，它通過改變光的“圖案”結構，例如其幅度和相位及其偏振、切割、和剪裁等，使人們能夠看到更小、更緊湊的聚焦、更寬視野的圖像、更少光子的探測、以及將信息打包成光作為新的高帶寬通信等，這就像裁縫布，通過切割和剪裁以將平淡的織物變成具有所需圖案的織物一樣。
結構光開始在科技領域中得到越來越多的應用，如警察使用結構化光來拍攝3D場景中的指紋，以前使用磁帶來提取指紋，現(xiàn)在他們可以使用相機并以數(shù)字方式壓扁指紋，這使得身份識別過程可以在警員離開現(xiàn)場之前就開始。如下圖所示專為表面檢查而設計的結構化光圖案（右上）和配備攝像頭和結構化激光光源的弧焊機器人，使該機器人能夠自動跟蹤焊縫（左下）。
結構光還可以用于測試經(jīng)典量子邊界，從而突破了經(jīng)典光對量子過程的作用極限，這為創(chuàng)造具有類似量子性質的經(jīng)典光提供了一種有趣的可能性，就好像它是“經(jīng)典地糾纏”的一樣。
問題是，如何創(chuàng)建和控制這種光的狀態(tài)，又可以將其極限推到多遠呢？構造這種光的狀態(tài)的主流工具來自激光，但是由于所需的專用激光的復雜性遇到挑戰(zhàn)，通常需要定制的幾何形狀和/或元素，而僅使用圖案和偏振的二維范例，意味著訪問二維經(jīng)典糾纏光，模仿1和0的量子位。
現(xiàn)在，中國和南非的科學家們，在最近的《自然-光》雜志上發(fā)表的論文：“高維多粒子經(jīng)典糾纏光的創(chuàng)建和控制”中報告說，他們簡單直接地從激光中創(chuàng)建任意維的量子類經(jīng)典光。首次使用大多數(shù)大學教學實驗室中可用的非常簡單的激光，即刻用來顯示八維經(jīng)典糾纏光。然后，研究團隊繼續(xù)操縱和控制這種類似量子的光，從而創(chuàng)建了第一個古典糾纏的格林伯格-霍恩-澤林格（GHZ）狀態(tài)，這是一組著名的高維量子態(tài)。
如圖所示一個僅由兩個標準反射鏡構成的簡單激光器用于產(chǎn)生高維經(jīng)典糾纏光，這體現(xiàn)一種最新的技術狀態(tài)，與二維貝爾狀態(tài)的流行范例有所不同。該方法將內部生成，原理上不受限制的原理與外部控制相結合，從而可以模制用戶定義的狀態(tài)。這里顯示的是二維Bell（左）和高維狀態(tài)（右）的示例，其中包括著名的GHZ狀態(tài)。
上述例子就是眾所周知的量子鐘形（上圖左所示），經(jīng)典光表現(xiàn)為矢量結構光，結合了“圖案”和“偏振”兩個自由度。這兩個自由度模擬了量子位量子態(tài)的兩個維度。要創(chuàng)建更高的尺寸，需要在看似僅限于兩個的系統(tǒng)中找到更多的自由度。
論文的主要作者、南安普敦大學高級研究員、清華大學的沈博士說：“理論家們長期以來就提出了類量子光可以實現(xiàn)的所有應用，但是缺乏任何創(chuàng)建和控制步驟阻礙了任何進展?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)展示了如何克服這一障礙。”
傳統(tǒng)上，來自激光器的奇異結構光需要同樣奇異的激光系統(tǒng)，或者具有定制例如元表面的元素、或定制例如基于拓撲光子的幾何形狀。該研究制造的激光器僅包含增益晶體，并且按教科書設計，僅帶有兩個現(xiàn)成的反射鏡。這個優(yōu)雅的解決方案本身建立在嵌入量子力學的原理之上：射線波對偶，利用所謂的射線波對偶激光器，也就人員可以通過簡單的長度調整來控制激光器內部的路徑和偏振。
該研究項目主管、福布斯教授說，“值得注意的是，不僅我們可以創(chuàng)建如此奇特的光狀態(tài)，而且它們的光源就像所能想象的一樣簡單，僅需幾個標準即可?！币簿腿藛T意識到關鍵的“額外”自由度就只需要一個新的數(shù)學框架就可以識別它們。該方法允許通過簡單地標記由激光器產(chǎn)生的波狀射線，然后用空間光調制器從外部控制它們，使它們成型來形成任何量子狀態(tài)。從某種意義上說，激光產(chǎn)生了所需的尺寸，而隨后的調制和控制則將結果塑造成某些所需狀態(tài)。為證明這一點，研究人員制作了所有的GHZ狀態(tài)，這些狀態(tài)跨越了一個八維空間。
過去沒有人創(chuàng)造過這種高維經(jīng)典糾纏光，因此研究人員需要發(fā)明一種新的測量方法，將高維量子態(tài)的層析成像技術，轉化為適合其經(jīng)典光類似物的語言和技術。結果是對經(jīng)典糾纏光進行了新的層析成像，揭示了其超出標準二維的類量子相關性。
這項工作為創(chuàng)建和控制具有類量子特性的高維經(jīng)典光提供了一種有力的方法，為在量子計量、量子糾錯、和光通信中的激動人心的應用鋪平了道路，并為激發(fā)量子力學的基礎研究提供了很多更通用的明亮的古典光。
參考：
https://www.nature.com/articles/s41377-021-00493-xhttps://phys.org/news/2021-03-simple-laser-quantum-like-classical.html
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