一种简单的激光器：用于类似量子的高维经典纠缠光

在目前光学领域里，有一个迅速发展的领域，被称为结构光（Structured light），顾名思义，它通过改变光的“图案”结构，例如其幅度和相位及其偏振、切割、和剪裁等，使人们能够看到更小、更紧凑的聚焦、更宽视野的图像、更少光子的探测、以及将信息打包成光作为新的高带宽通信等，这就像裁缝布，通过切割和剪裁以将平淡的织物变成具有所需图案的织物一样。

结构光开始在科技领域中得到越来越多的应用，如警察使用结构化光来拍摄3D场景中的指纹，以前使用磁带来提取指纹，现在他们可以使用相机并以数字方式压扁指纹，这使得身份识别过程可以在警员离开现场之前就开始。如下图所示专为表面检查而设计的结构化光图案（右上）和配备摄像头和结构化激光光源的弧焊机器人，使该机器人能够自动跟踪焊缝（左下）。

结构光还可以用于测试经典量子边界，从而突破了经典光对量子过程的作用极限，这为创造具有类似量子性质的经典光提供了一种有趣的可能性，就好像它是“经典地纠缠”的一样。

问题是，如何创建和控制这种光的状态，又可以将其极限推到多远呢？构造这种光的状态的主流工具来自激光，但是由于所需的专用激光的复杂性遇到挑战，通常需要定制的几何形状和/或元素，而仅使用图案和偏振的二维范例，意味着访问二维经典纠缠光，模仿1和0的量子位。

现在，中国和南非的科学家们，在最近的《自然-光》杂志上发表的论文：“高维多粒子经典纠缠光的创建和控制”中报告说，他们简单直接地从激光中创建任意维的量子类经典光。首次使用大多数大学教学实验室中可用的非常简单的激光，即刻用来显示八维经典纠缠光。然后，研究团队继续操纵和控制这种类似量子的光，从而创建了第一个古典纠缠的格林伯格-霍恩-泽林格（GHZ）状态，这是一组著名的高维量子态。

如图所示一个仅由两个标准反射镜构成的简单激光器用于产生高维经典纠缠光，这体现一种最新的技术状态，与二维贝尔状态的流行范例有所不同。该方法将内部生成，原理上不受限制的原理与外部控制相结合，从而可以模制用户定义的状态。这里显示的是二维Bell（左）和高维状态（右）的示例，其中包括著名的GHZ状态。

上述例子就是众所周知的量子钟形（上图左所示），经典光表现为矢量结构光，结合了“图案”和“偏振”两个自由度。这两个自由度模拟了量子位量子态的两个维度。要创建更高的尺寸，需要在看似仅限于两个的系统中找到更多的自由度。

论文的主要作者、南安普敦大学高级研究员、清华大学的沈博士说：“理论家们长期以来就提出了类量子光可以实现的所有应用，但是缺乏任何创建和控制步骤阻碍了任何进展。现在，我们已经展示了如何克服这一障碍。”

传统上，来自激光器的奇异结构光需要同样奇异的激光系统，或者具有定制例如元表面的元素、或定制例如基于拓扑光子的几何形状。该研究制造的激光器仅包含增益晶体，并且按教科书设计，仅带有两个现成的反射镜。这个优雅的解决方案本身建立在嵌入量子力学的原理之上：射线波对偶，利用所谓的射线波对偶激光器，也就人员可以通过简单的长度调整来控制激光器内部的路径和偏振。

该研究项目主管、福布斯教授说，“值得注意的是，不仅我们可以创建如此奇特的光状态，而且它们的光源就像所能想象的一样简单，仅需几个标准即可。”也就人员意识到关键的“额外”自由度就只需要一个新的数学框架就可以识别它们。该方法允许通过简单地标记由激光器产生的波状射线，然后用空间光调制器从外部控制它们，使它们成型来形成任何量子状态。从某种意义上说，激光产生了所需的尺寸，而随后的调制和控制则将结果塑造成某些所需状态。为证明这一点，研究人员制作了所有的GHZ状态，这些状态跨越了一个八维空间。