来源:中国光学 本文由论文作者团队投稿
近日，北京理工大学光电学院高春清、付时尧团队在高维多自由度激光调控取得突破进展，他们联合中国科学技术大学史保森、周志远团队、加拿大蒙特利尔理工学院Shilong Liu博士以及新加坡南洋理工大学Yijie Shen助理教授，通过将光子SAM-OAM耦合引入V形折叠谐振腔，首次实现了高维三自由度经典不可分离态（Classical non-separable state, CNSS）光束（亦即八维三体量子纠缠模拟态）的激光器直接激发输出，如图1所示。该研究成果提供了具有稳定性和集成性的多粒子纠缠态经典模拟源，以"Intra-Cavity Laser Manipulation of High-Dimensional Non-Separable States" 为题发表在Laser & Photonics Reviews。北京理工大学博士研究生海澜、张智超为共同第一作者，付时尧研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、博士后创新人才支持计划等资助。
图1：基于激光谐振腔内光子角动量调控的三自由度高维不可分离态生成
高维多自由度经典结构激光调控及测量
。图2(b)展示了由该腔激发调控输出
这一CNSS光场，图2(c)为具体的腔内调控过程。
图2：三自由度涡旋激光器结构以及调控机理
为了进一步地控制基底权重，模拟量子纠缠中的最大纠缠态（GHZ态），研究人员在腔外引入对CNSS两个基底振幅和相位的精确控制。为了解决相位调控的难题，该团队在输出镜窗口外单波矢路径上垂直放置了一对K9光楔进行相位补偿。最终实现三自由度经典光场下的八组最大纠缠态模拟，验证了完备的高维属性。
最后，该团队参考量子纠缠系统中的判定方式对所生成GHZ模拟态进行了验证，如图３所示。类比于量子态层析技术，结合传统自由度的投影方法以及卷积神经网络的相位分析方法，将高维光场依次投影至各个本征基底，测得各基底的振幅和相对相位，获取了完整的CNSS信息。
在此基础上，该团队重构了理论和实验所得密度矩阵，数值计算其对应的保真度，实验测得结果可达95％，验证了生成的类GHZ态不可分离性和量子模拟特性。如图４所示。
图4：类GHZ态实验验证结果
该研究工作分析了矢量涡旋激光器进行高维量子态模拟的可能，为实现更高维度下多粒子量子态的模拟奠定了基础，为构造和验证高维、多自由度类量子纠缠态提供了一种直接、稳定、准确的方法，将是进行经典-量子关联研究的重要工具。
总结与展望
研究人员通过设计谐振腔和腔内调控技术，由激光器直接激发出三个自由度耦合的CNSS光，正交的本征基态共同构成一个八维的希尔伯特空间，并进一步在实验中实现了所有八个三自由度最大经典不可分离态（类GHZ态）的生成，验证了高维的完备性。作为一项具备创新和突破的研究，该工作据悉是首次由激光谐振腔直接实现多自由度类GHZ态的生成，为多种基于量子纠缠不可分离特性的经典模拟实验提供了更加稳健的、更加集成的、更高光束质量的光源，为经典-量子关联的研究提供了更具价值的工具。此外，该方案理论上还将允许更进一步拓宽可以利用的本征态数量，通过加入其他自由度，增加更多本征态，实现更高维度的协同调控。
论文信息
https://doi.org/10.1002/lpor.202300593
