Science and Technology News
来源:admin
江苏激光联盟导读:
裁切光就像裁缝布,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。在光的情况下,剪裁通常是在空间自由度上进行的,例如其幅度和相位(光的“图案”)及其偏振,而切割和剪裁可以通过空间光调制器和类似。这个迅速发展的领域被称为结构化光,它正在推动我们对光的利用达到极限,使我们能够看到更小、更紧凑的焦点,更宽视野的图像,更少光子的探测以及将信息打包成光新的高带宽通信。结构光也已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,反之亦然。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“经典纠缠”一样。但是,如何创建和控制这种光状态,又可以将极限推到多远呢?
近年来,结构光这种在不同的自由度 (degrees of freedom, DoF) 上任意调整光线的能力能力变得越来越突出,特别是矢量结构化光,它在空间模式和偏振上是不可分的。一个通俗的例子是矢量涡旋光束,它是自旋和轨道角动量 (orbital angular momentum, OAM) 状态的矢量组合,是二维经典纠缠状态的一种形式。纠缠的量子束具有相同的不可分离的量子纠缠特征,它不仅具有简单的数学机制,而且可以通过量子经典连接扩展无数的应用。矢量结构光的这种状态是通过自旋轨道光学系统以及定制激光器通过干涉法在光源外部创建的,包括定制光纤激光器、固态激光器中的腔内几何相位元素和定制的片上解决方案。结果证明,所产生的光束有助于成像、光镊、计量、通信以及模拟量子过程。在量子状态下,它们被称为混合纠缠态,同样在量子信息处理和密码学中得到了广泛的应用。
图1. 矢量结构光
▲图解:a. 传统的矢量光束:具有空间变化的偏振结构的近轴模式,其特征是给定的贝尔状态,并且b图示了一个新的高维矢量结构化的光场,该场包括在单个近轴光束中沿着多个本征DoF的偏振标记的光,由一组GHZ状态构成。Bell状态和GHZ状态分别在a和b中标记。x和y是横坐标,z是纵坐标(近轴传播方向)
▲图2. 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,这是最新技术,它偏离了二维贝尔状态的主流范例。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。
图3. 激光概念
图4. 创建经典GHZ状态
用于从我们的激光器生成经典GHZ状态的实验装置,包括高维状态生成(激光),GHZ状态生成的核心步骤以及两个用于确认状态特性的测量步骤。a. 显示分别由虹膜(位于I1或I2)和SLM相位掩模(3π/ 2和π/ 2)执行的每个GHZ状态所需的所需路径和偏振变换。在b和c中,以图形方式将其解压缩以进行SLM调制,改变每个射线状态的偏振态和进行虹膜调制,从而将入射的四个波瓣减少到两个。d. 显示了对应于第一最大纠缠组ΦΦ±⟩的矢量束的结果,它们是通过实验和模拟获得的。箭头表示在OAM状态测量的测量阶段中偏振器的方向在层析成像测量(贝尔状态测量)中,仅通过偏振器和CCD摄像机即可推断出GHZ的八个状态。CCD摄像机移至不同位置并捕获干涉条纹以进行可见度计算。e. GHZ状态之一的空间最终轨迹,显示了两瓣结构。(OC输出耦合镜,DM二向色镜,PBS偏振分束棱镜,QWP四分之一波片,HR高反射镜,PR部分反射镜,SLM空间光调制器,CCD电荷耦合器件相机,P偏振片)
该研究为创建和控制具有类量子特性的高维经典光提供了一种有力的方法,为在量子计量学、量子纠错和光通信中的激动人心的应用铺平了道路,并为激发量子力学的基础研究提供了很多途径。
本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品,如需转载请标明来源,谢谢合作支持!
本文来源:Yijie Shen et al, Creation and control of high-dimensional multi-partite classically entangled light, Light: Science & Applications (2021). DOI: 10.1038/s41377-021-00493-x
分享
文章评论