在目前光學領域裏，有一個(ge) 迅速發展的領域，被稱為(wei) 結構光（Structured light），顧名思義(yi) ，它通過改變光的“圖案”結構，例如其幅度和相位及其偏振、切割、和剪裁等，使人們(men) 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、以及將信息打包成光作為(wei) 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。

結構光開始在科技領域中得到越來越多的應用，如警察使用結構化光來拍攝3D場景中的指紋，以前使用磁帶來提取指紋，現在他們(men) 可以使用相機並以數字方式壓扁指紋，這使得身份識別過程可以在警員離開現場之前就開始。如下圖所示專(zhuan) 為(wei) 表麵檢查而設計的結構化光圖案（右上）和配備攝像頭和結構化激光光源的弧焊機器人，使該機器人能夠自動跟蹤焊縫（左下）。

結構光還可以用於(yu) 測試經典量子邊界，從(cong) 而突破了經典光對量子過程的作用極限，這為(wei) 創造具有類似量子性質的經典光提供了一種有趣的可能性，就好像它是“經典地糾纏”的一樣。

問題是，如何創建和控製這種光的狀態，又可以將其極限推到多遠呢？構造這種光的狀態的主流工具來自激光，但是由於(yu) 所需的專(zhuan) 用激光的複雜性遇到挑戰，通常需要定製的幾何形狀和/或元素，而僅(jin) 使用圖案和偏振的二維範例，意味著訪問二維經典糾纏光，模仿1和0的量子位。

現在，中國和南非的科學家們(men) ，在最近的《自然-光》雜誌上發表的論文：“高維多粒子經典糾纏光的創建和控製”中報告說，他們(men) 簡單直接地從(cong) 激光中創建任意維的量子類經典光。首次使用大多數大學教學實驗室中可用的非常簡單的激光，即刻用來顯示八維經典糾纏光。然後，研究團隊繼續操縱和控製這種類似量子的光，從(cong) 而創建了第一個(ge) 古典糾纏的格林伯格-霍恩-澤林格（GHZ）狀態，這是一組著名的高維量子態。

如圖所示一個(ge) 僅(jin) 由兩(liang) 個(ge) 標準反射鏡構成的簡單激光器用於(yu) 產(chan) 生高維經典糾纏光，這體(ti) 現一種最新的技術狀態，與(yu) 二維貝爾狀態的流行範例有所不同。該方法將內(nei) 部生成，原理上不受限製的原理與(yu) 外部控製相結合，從(cong) 而可以模製用戶定義(yi) 的狀態。這裏顯示的是二維Bell（左）和高維狀態（右）的示例，其中包括著名的GHZ狀態。

上述例子就是眾(zhong) 所周知的量子鍾形（上圖左所示），經典光表現為(wei) 矢量結構光，結合了“圖案”和“偏振”兩(liang) 個(ge) 自由度。這兩(liang) 個(ge) 自由度模擬了量子位量子態的兩(liang) 個(ge) 維度。要創建更高的尺寸，需要在看似僅(jin) 限於(yu) 兩(liang) 個(ge) 的係統中找到更多的自由度。

論文的主要作者、南安普敦大學高級研究員、清華大學的沈博士說：“理論家們(men) 長期以來就提出了類量子光可以實現的所有應用，但是缺乏任何創建和控製步驟阻礙了任何進展。現在，我們(men) 已經展示了如何克服這一障礙。”

傳(chuan) 統上，來自激光器的奇異結構光需要同樣奇異的激光係統，或者具有定製例如元表麵的元素、或定製例如基於(yu) 拓撲光子的幾何形狀。該研究製造的激光器僅(jin) 包含增益晶體(ti) ，並且按教科書(shu) 設計，僅(jin) 帶有兩(liang) 個(ge) 現成的反射鏡。這個(ge) 優(you) 雅的解決(jue) 方案本身建立在嵌入量子力學的原理之上：射線波對偶，利用所謂的射線波對偶激光器，也就人員可以通過簡單的長度調整來控製激光器內(nei) 部的路徑和偏振。

該研究項目主管、福布斯教授說，“值得注意的是，不僅(jin) 我們(men) 可以創建如此奇特的光狀態，而且它們(men) 的光源就像所能想象的一樣簡單，僅(jin) 需幾個(ge) 標準即可。”也就人員意識到關(guan) 鍵的“額外”自由度就隻需要一個(ge) 新的數學框架就可以識別它們(men) 。該方法允許通過簡單地標記由激光器產(chan) 生的波狀射線，然後用空間光調製器從(cong) 外部控製它們(men) ，使它們(men) 成型來形成任何量子狀態。從(cong) 某種意義(yi) 上說，激光產(chan) 生了所需的尺寸，而隨後的調製和控製則將結果塑造成某些所需狀態。為(wei) 證明這一點，研究人員製作了所有的GHZ狀態，這些狀態跨越了一個(ge) 八維空間。

過去沒有人創造過這種高維經典糾纏光，因此研究人員需要發明一種新的測量方法，將高維量子態的層析成像技術，轉化為(wei) 適合其經典光類似物的語言和技術。結果是對經典糾纏光進行了新的層析成像，揭示了其超出標準二維的類量子相關(guan) 性。

這項工作為(wei) 創建和控製具有類量子特性的高維經典光提供了一種有力的方法，為(wei) 在量子計量、量子糾錯、和光通信中的激動人心的應用鋪平了道路，並為(wei) 激發量子力學的基礎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