用于下一代通信系统的“传送”结构光

量子纠缠是量子力学的一个基本性质，在信息处理和通信中具有很高的价值。利用光子弱相互作用的光子量子态被广泛探索。然而，人们认识到复合方法对于综合系统可能是必要的。

结构光包括裁剪光的所有自由度(dfs)，空间和时间，在经典和量子域创建复杂的光场。结合dof可以在2D, 3D，甚至4D领域中产生新的光状态。这个领域是最近才出现的，特别是以光的轨道角动量(OAM)为基础的开创性工作，导致了活动和深度的激增。

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结构光简介

在典型的可见激光束中，每平方毫米存在数百万个横向模式，具有非凡的潜在开发资源。从历史上看，重点是高斯光束，努力消除不必要的横向结构。

发表在《自然光子学》上的一篇文章表明，将非结构化平面波与正弦条纹进行比较可以揭示关键原理。平面波的结构在于其均匀的相位梯度(只能通过干涉测量法观察到)，而正弦条纹结构则是光的强度，肉眼可见。在限制光的系统中，例如光子晶体，可以实现即时的三维控制。在这样的系统中，结构物质和结构光的协同作用开启了许多令人兴奋的可能性。该方法在多模态经典光和高维量子态上执行幺正运算是有效的。另一种流行的方法是通过战略性地配置初始二维场的自由度(DoFs)来控制光的三维结构。利用波干涉，可以创造出理想的结构，例如塔尔博特效应和分形光。

结构光如何革新通信网络系统?

在一个小的光截面积内的多种模式所提供的潜力可以彻底改变通信网络，提高速度。在量子领域，结构光的高维量子态有望显著提高安全性。

通过新的光通信协议显示的无噪声通信半导体光刻系统用于什么?在过去的十年中，结构光研究领域的快速发展主要是由光通信推动的，旨在通过增加模式的数量来实现更快的通信。该领域的挑战包括湍流和发散，限制了长距离演示在没有数据传输的情况下传播。尽管用于结构光的定制光纤的发展已经显示出希望，在8种模式下实现50公里的距离，但仍然需要纠错。与在单模光纤中使用高斯光束相比，这些距离仍然是适度的。什么是混合纠缠，它是如何形成量子力学和光之间的联系的?

空间模式发展的进步是由个体自由度(DoF)的精确控制促进的。此外，更多奇特形式的纠缠光子态已经出现，包括各种DoFs，在某些情况下，利用所有可用的DoFs。根据发表在AVS量子科学杂志上的文章，这些奇异量子态的一个值得注意的例子是混合纠缠。混合纠缠需要两个空间分离的粒子的纠缠，每个粒子都以不同的自由度存在。自旋-轨道(SO)耦合光学的引入，使得偏振(自旋)和轨道角动量(OAM)在单光子水平上相互作用，在这一领域取得了重大进展。

混合态发现了有趣的应用，包括量子力学基本测试中路径的抽象概念，比如量子擦除实验。这些状态在实际应用中也显示出巨大的潜力，在量子通信中有显著的用例。例如，混合模式已被用于在自由空间和光纤环境下实现基于“BB84”协议的高维单光子量子密钥分发(QKD)。

非线性探测器光的量子输运

在两个相距遥远的方之间交换信息，在没有物理传输的情况下共享数据，是未来量子网络发展的重要因素。利用高维状态进行这种交换有可能增加信息容量和增强对噪声的恢复能力。然而，到目前为止，这一领域的进展受到限制。

远程状态准备使双方之间的信息交换成为可能，而不需要在链路上物理传输信息，这要求发送方掌握要发送的信息的知识。隐形传态可以在不需要物理链路的情况下促进远程各方之间的安全信息交换。

研究人员在《自然通讯》上发表了一篇文章，描述了一个实验装置，展示了一个在任意维度上运行的非线性空间量子输运系统。该方案利用两个纠缠光子建立量子信道，同时利用一个明亮的相干光源进行信息编码。

其中一个纠缠光子在非线性晶体中进行上转换，利用相干光束作为信息载体和提高效率。成功的单光子探测导致信息传输到另一个光子，促进了双光子符合测量。该系统与尺寸和基无关，并且可以通过调节光束尺寸和晶体特性等参数轻松控制量子通道的模态容量。

通过在不同的空间基中表达信息，包括轨道角动量(OAM)、厄米-高斯及其叠加态，新的实验方法证明了信息在许多空间模式中的传递。实验结果得到了全面的理论处理，为通过非线性光学控制和检测利用高维结构量子态提供了一种新的方法。

这种研究未知高维空间态量子输运的新方法为未来开辟了令人兴奋的前景。该方法有可能扩展到混合自由度，如涉及偏振和空间的混合纠缠态，以及空间和时间结合的超纠缠态，有望实现多自由度和高维量子控制。这一创新标志着该领域的重大进步，为先进的量子信息处理和通信应用提供了新的可能性。

参考文献及深入阅读

Forbes, A. et al.(2021)。结构光。光子学报，15,253-262。网址:https://doi.org/10.1038/s41566-021-00780-4

(2019)具有光模式的量子力学:与结构光的高维和多维纠缠的进展。量子科学，1(1):111701。可以在https://doi.org/10.1116/1.5112027【【# #】】Sephton, B. et al.(2023)。高维空间信息非线性探测器的量子输运。自然学报14,8243。网址:https://doi.org/10.1038/s41467-023-43949-x

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