在目前光學(xué)領(lǐng)域里，有一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，被稱為結(jié)構(gòu)光（Structured light），顧名思義，它通過改變光的“圖案”結(jié)構(gòu)，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(cè)、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(jié)構(gòu)光開始在科技領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用，如警察使用結(jié)構(gòu)化光來拍攝3D場(chǎng)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(jī)并以數(shù)字方式壓扁指紋，這使得身份識(shí)別過程可以在警員離開現(xiàn)場(chǎng)之前就開始。如下圖所示專為表面檢查而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化光圖案（右上）和配備攝像頭和結(jié)構(gòu)化激光光源的弧焊機(jī)器人，使該機(jī)器人能夠自動(dòng)跟蹤焊縫（左下）。

結(jié)構(gòu)光還可以用于測(cè)試經(jīng)典量子邊界，從而突破了經(jīng)典光對(duì)量子過程的作用極限，這為創(chuàng)造具有類似量子性質(zhì)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(yuǎn)呢？構(gòu)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(fù)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(guó)和南非的科學(xué)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(bào)告說，他們簡(jiǎn)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(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中可用的非常簡(jiǎn)單的激光，即刻用來顯示八維經(jīng)典糾纏光。然后，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)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(gè)僅由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)反射鏡構(gòu)成的簡(jiǎn)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(shù)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(nèi)部生成，原理上不受限制的原理與外部控制相結(jié)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(jié)構(gòu)光，結(jié)合了“圖案”和“偏振”兩個(gè)自由度。這兩個(gè)自由度模擬了量子位量子態(tài)的兩個(gè)維度。要?jiǎng)?chuàng)建更高的尺寸，需要在看似僅限于兩個(gè)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(xué)高級(jí)研究員、清華大學(xué)的沈博士說：“理論家們長(zhǎng)期以來就提出了類量子光可以實(shí)現(xiàn)的所有應(yīng)用，但是缺乏任何創(chuàng)建和控制步驟阻礙了任何進(jìn)展?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)展示了如何克服這一障礙?！?/p>

傳統(tǒng)上，來自激光器的奇異結(jié)構(gòu)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?fù)涔庾拥膸缀涡螤?。該研究制造的激光器僅包含增益晶體，并且按教科書設(shè)計(jì)，僅帶有兩個(gè)現(xiàn)成的反射鏡。這個(gè)優(yōu)雅的解決方案本身建立在嵌入量子力學(xué)的原理之上：射線波對(duì)偶，利用所謂的射線波對(duì)偶激光器，也就人員可以通過簡(jiǎn)單的長(zhǎng)度調(diào)整來控制激光器內(nèi)部的路徑和偏振。

該研究項(xiàng)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(jiǎn)單，僅需幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即可?！币簿腿藛T意識(shí)到關(guān)鍵的“額外”自由度就只需要一個(gè)新的數(shù)學(xué)框架就可以識(shí)別它們。該方法允許通過簡(jiǎn)單地標(biāo)記由激光器產(chǎn)生的波狀射線，然后用空間光調(diào)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(diào)制和控制則將結(jié)果塑造成某些所需狀態(tài)。為證明這一點(diǎn)，研究人員制作了所有的GHZ狀態(tài)，這些狀態(tài)跨越了一個(gè)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(cè)量方法，將高維量子態(tài)的層析成像技術(shù)，轉(zhuǎn)化為適合其經(jīng)典光類似物的語言和技術(shù)。結(jié)果是對(duì)經(jīng)典糾纏光進(jìn)行了新的層析成像，揭示了其超出標(biāo)準(zhǔn)二維的類量子相關(guān)性。

這項(xiàng)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(jì)量、量子糾錯(cuò)、和光通信中的激動(dòng)人心的應(yīng)用鋪平了道路，并為激發(fā)量子力學(xué)的基礎(chǔ)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