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。現(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。”也就人員意識到關鍵的“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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