En simpel laser til kvantelignende klassisk lys

At skræddersy lys er meget som at skræddersy klud, klipning og klipning for at gøre et intetsigende stof til et med et ønsket mønster. I tilfælde af lys, skræddersyet udføres normalt i de rumlige frihedsgrader, såsom dets amplitude og fase (lysets 'mønster'), og dens polarisering, mens skæringen og klipningen kan styres med rumlige lysmodulatorer og lignende. Dette spirende felt er kendt som struktureret lys, og skubber grænserne for, hvad vi kan gøre med lys, gør det muligt for os at se mindre, fokus strammere, billede med bredere synsfelter, sonde med færre fotoner, og at pakke information ind i lyset til ny højbåndskommunikation. Struktureret lys er også blevet brugt til at teste den klassiske kvantegrænse, skubbe grænserne med, hvad klassisk lys kan gøre for kvanteprocesser, og omvendt. Dette har åbnet den spændende mulighed for at skabe klassisk lys, der har kvantelignende egenskaber - som om det er 'klassisk sammenfiltret'. Men hvordan man skaber og kontrollerer sådanne lystilstande, og hvor langt kan man skubbe grænserne?

De fremherskende værktøjer til strukturering af lys fra lasere hindres af kompleksiteten af ​​de specialiserede lasere, der er nødvendige, kræver ofte tilpassede geometrier og/eller elementer, mens det fremherskende todimensionelle paradigme med kun at bruge mønster og polarisering, betyder adgang til todimensionelt klassisk sammenfiltret lys, efterligning af kvante-qubits, 1s og 0s. Et eksempel på dette ville være de velkendte quantum Bell stater, vist i figur 1 (venstre), der som klassisk lys fremstår som vektorielt struktureret lys, kombinere de to frihedsgrader 'mønster' og 'polarisering'. Disse to frihedsgrader efterligner de to dimensioner af qubit-kvantetilstanden. For at skabe højere dimensioner kræver det at finde flere frihedsgrader i et system, der tilsyneladende er begrænset til kun to.

I deres papir "Skabelse og kontrol af højdimensionelt multi-partite klassisk sammenfiltret lys, "Kinesiske og sydafrikanske videnskabsmænd rapporterer om, hvordan man skaber vilkårligt dimensionelt kvantelignende klassisk lys direkte fra en laser. De bruger en meget simpel laser, der er tilgængelig i de fleste universitetsundervisningslaboratorier til at vise ottedimensionelt klassisk sammenfiltret lys, en ny verdensrekord. De fortsætter derefter med at manipulere og kontrollere dette kvantelignende lys, skabe de første klassisk sammenfiltrede Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) stater, et ret berømt sæt højdimensionelle kvantetilstande, vist i figur 1.

"Teoretikere har længe foreslået alle de anvendelser, der ville være mulige med et sådant kvantelignende lys, men manglen på oprettelses- og kontroltrin har forbudt ethvert fremskridt. Nu har vi vist, hvordan man overvinder denne forhindring, " siger Dr. Shen fra Tsinghua University (nuværende seniorforsker ved University of Southampton), avisens hovedforfatter.

Traditionelt, eksotisk struktureret lys fra lasere kræver lige så eksotiske lasersystemer, enten med brugerdefinerede elementer (metasurfaces for eksempel) eller brugerdefinerede geometrier (topologisk fotonisk baseret for eksempel). Laseren bygget af forfatterne indeholdt kun en forstærkningskrystal og fulgte lærebogsdesign med kun to hyldespejl. Deres elegante løsning er i sig selv bygget på et princip indlejret i kvantemekanikken:strålebølgedualitet. Forfatterne kunne kontrollere både vej og polarisering inde i laseren ved en simpel længdejustering, udnytter det, der kaldes ray-wave dualitetslasere.

Ifølge prof. Forbes, projektlederen, "Det bemærkelsesværdige er ikke kun, at vi kunne skabe sådanne eksotiske lystilstande, men at deres kilde er så simpel en laser, som du overhovedet kunne forestille dig, med intet andet end et par standardspejle." Forfatterne indså, at de afgørende "ekstra" frihedsgrader var lige foran deres øjne, behøver kun en ny matematisk ramme for at genkende dem. Fremgangsmåden gør det i princippet muligt at skabe enhver kvantetilstand ved blot at markere de bølgelignende stråler, der produceres af laseren, og derefter eksternt styre dem med en rumlig lysmodulator, forme dem til form. I en vis forstand, laseren producerer de nødvendige dimensioner, mens senere modulering og kontrol former resultatet til en ønsket tilstand. For at demonstrere dette, forfatterne producerede alle GHZ-tilstande, som spænder over et ottedimensionalt rum.

Fordi ingen nogensinde havde skabt et så højdimensionelt klassisk indviklet lys, forfatterne måtte opfinde en ny målemetode, at oversætte tomografi af højdimensionelle kvantetilstande til et sprog og en teknik, der passer til dens klassiske lysanalog. Resultatet er en ny tomografi til klassisk sammenfiltret lys, afslører dens kvantelignende korrelationer ud over standard to dimensioner.

Dette arbejde giver en kraftfuld tilgang til at skabe og kontrollere højdimensionelt klassisk lys med kvantelignende egenskaber, baner vejen for spændende anvendelser inden for kvantemetrologi, kvantefejlkorrektion og optisk kommunikation, såvel som i at stimulere fundamentale studier af kvantemekanik med meget mere alsidigt stærkt klassisk lys.