高维多自由度经典纠缠矢量光束的产生与操控

       得益于量子技术的飞速发展，纠缠态已经成为及其火热的研究领域。在量子力学中，测量前，若两粒子处于纠缠态，它们的状态是不确定的，其中的一个粒子被测量，则另一个粒子无论身处何处（非定域性），它都瞬间坍缩到由纠缠态（不可分离性）所确定的被测粒子的互补态上。随着科技的进步，最初纠缠的双粒子已经发展成了多粒子纠缠系统，这中多体间“心灵感应”式的不可分离态是实现量子计算、量子加密、量子通信等等先进应用的重要基础。上述非定域性的超距作用目前仅存在于微观量子领域，但是不可分离性却普遍存在于经典世界中多体的状态之间。可以在经典光学中模拟这种纠缠的不可分离性,这就是经典纠缠。值得说明的是，量子纠缠可描述非定域的粒子的属性，而经典纠缠里纠缠的两个特性是在某一客观结构中的多个不同内禀特性。

       此前，经典纠缠的概念专门应于矢量光束的空间模式与偏振的不可分离态，模拟双粒子纠缠态（Bell态），而模拟多粒子纠缠效应一直是难以克服的问题。在近20年中，多粒子多自由度的量子纠缠已经可以人为操控并取得辉煌成果，但是对应经典纠缠模型普遍认为是不可能被构造的。因为传统矢量结构光束除了偏振与空间模式两个可控自由度外，很再难找到更多自由度去实现高维操控。为了突破可控自由度这一限制，近日由英国南安普顿大学的申艺杰研究员、南非金山大学的Andrew Forbes教授和清华大学的巩马理教授领导的一支跨多国多单位联合科研团队创造出了“小蛮腰”式的“超自由度”矢量涡旋光束，首次产生了超越二维（空间模式和偏振）限制的高维经典纠缠光，并成功实现了完备的多体经典纠缠态——Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态的操控，模拟三体八维空间中的最大纠缠态。这种实现的多体经典纠缠方法是完全可控的，可以轻易拓展到模拟更多自由度更高维度空间中的纠缠效应。值得指出的是，新型高维经典纠缠光的产生只需要一个基本的固体激光腔和简易的机械调控，为进一步的应用推广带来极大优势，打开了模拟高维多粒子纠缠的结构光的新领域和相关应用的大门。相关研究工作发表在《Light: Science and Applications》。（申艺杰）

       文章链接：Yijie Shen, Isaac Nape, Xilin Yang, et al. Creation and control of high-dimensional multi-partite classically entangled light. Light: Sci & Appl 10, 50 (2021)   (https://doi.org/10.1038/s41377-021-00493-x)