北理工團隊在腔內(nèi)光子角動量高維調(diào)控研究方面取得重要突破
發(fā)布日期：2023-11-28 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院高春清、付時堯團隊聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)史保森,、周志遠(yuǎn)團隊,、加拿大蒙特利爾理工學(xué)院Shilong Liu博士以及新加坡南洋理工大學(xué)Yijie Shen助理教授，在激光諧振腔內(nèi)光子角動量高維調(diào)控研究方面取得顯著進展,。通過將光子自旋-軌道角動量耦合引入V形激光諧振腔,，首次實現(xiàn)了三體八維量子糾纏模擬態(tài)，即高維經(jīng)典不可分離態(tài)（Classical non-separable state, CNSS）的激光諧振腔直接輸出,。該研究成果提供了具有集成性的高維量子態(tài)經(jīng)典模擬源,，以"Intra-Cavity Laser Manipulation of High-Dimensional Non-Separable States" 為題發(fā)表在光學(xué)頂級期刊Laser & Photonics Review（SCI一區(qū)，IF：11.0）上,。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃,、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金,、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等資助,。北京理工大學(xué)是唯一第一作者及通訊作者單位，北京理工大學(xué)2021級博士研究生海瀾,、2022級博士研究生張智超為共同第一作者,，付時堯研究員為通訊作者。
CNSS光場是指由多個自由度耦合構(gòu)造的光場,，因其具有和量子糾纏態(tài)相似的數(shù)學(xué)形式,，為許多量子過程的模擬提供了經(jīng)典光場下的解決方案。目前以自旋角動量（Spin angular momentum, SAM）-軌道角動量（Orbtial angular momentum, OAM）雙自由度耦合形成的矢量渦旋光場較為常見,，但其維度較低,，僅可用來模擬量子糾纏Bell態(tài)，在高維多體的量子過程模擬方面還存在局限,，且調(diào)控過程多在腔外進行,，制約了集成化、小型化發(fā)展的應(yīng)用需求,。
針對上述問題,，為實現(xiàn)量子糾纏模擬中的維度拓展以及按需調(diào)控，該研究團隊將自旋-軌道角動量耦合機制引入特殊設(shè)計的V形激光諧振腔，在腔內(nèi)相互獨立地調(diào)控了SAM,、OAM以及波矢三個自由度,，三個自由度各自具有兩個本征態(tài)，可構(gòu)成一個完備的八維希爾伯特空間,。通過對圖1（a）中自旋-軌道角動量耦合器件（QP）與腔內(nèi)偏振控制元件（QWP）的協(xié)同控制,，可直接腔內(nèi)生成CNSS~，圖1（b）展示了經(jīng)典不可分離態(tài)空間結(jié)構(gòu)光場,，圖1（c）展示了具體的調(diào)控過程,。
圖1 三自由度渦旋激光器結(jié)構(gòu)以及調(diào)控機理
通過這種腔內(nèi)調(diào)控方法，可以實現(xiàn)CNSS在八維空間內(nèi)的正交基底選擇,，然而若要控制基底權(quán)重以模擬量子糾纏中的最大糾纏態(tài)（GHZ態(tài)）,，還需要進行振幅和相位的精確控制。為了解決相位調(diào)控的難題,，該團隊在輸出鏡窗口外單波矢路徑上垂直放置了一對K9光楔進行相位補償,，這樣，可以實現(xiàn)三自由度經(jīng)典光場下的八組最大糾纏態(tài)模擬,，驗證了完備的高維屬性,。
最后，該團隊參考量子糾纏系統(tǒng)中的判定方式對所生成GHZ模擬態(tài)進行了驗證,，類比于量子態(tài)層析技術(shù),，結(jié)合傳統(tǒng)自由度的投影方法以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相位分析方法，將高維光場依次投影至各個本征基底,，如圖2所示,，測得各基底的振幅和相對相位，獲取了完整的CNSS信息,。
圖2 類量子層析投影方法
在此基礎(chǔ)上,，該團隊重構(gòu)了理論和實驗所得密度矩陣，數(shù)值計算其對應(yīng)的保真度,，實驗測得結(jié)果可達95％,，如圖3所示。
圖3 類GHZ態(tài)實驗驗證結(jié)果
該研究工作分析了矢量渦旋激光器進行高維量子態(tài)模擬的可能,，為實現(xiàn)更高維度下多粒子量子態(tài)的模擬奠定了基礎(chǔ),，為構(gòu)造和驗證高維、多自由度類量子糾纏態(tài)提供了一種直接,、穩(wěn)定,、準(zhǔn)確的方法。
附主要作者簡介：
海瀾,，2021級博士研究生,，導(dǎo)師為付時堯研究員,，主要從事激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用研究，發(fā)表SCI論文7篇,，申請發(fā)明專利2項,。
張智超，2022級博士研究生,，導(dǎo)師為高春清教授,，主要從事激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用研究，發(fā)表SCI論文5篇,，申請發(fā)明專利1項。
付時堯,，北京理工大學(xué)長聘副教授（特別研究員）,、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用,。入選人社部“博新計劃”（2019）,，主持國家重點研發(fā)計劃等科研項目10余項，部分科研成果已經(jīng)工程化應(yīng)用,。在Adv. Photon.,，Laser Photon. Rev.，PhotoniX,、Photon. Res.,、Adv. Photon. Nexus、Opt. Lett.等期刊上發(fā)表SCI論文60余篇,；受邀在國內(nèi)外頂級學(xué)術(shù)會議上作邀請報告10余次,；獲21項授權(quán)發(fā)明專利；出版專著2部,。獲北京市自然科學(xué)二等獎（第一完成人,，2022）、中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎（2017）,、中國電子學(xué)會優(yōu)博（2020）?，F(xiàn)為中國光學(xué)學(xué)會、中國儀器儀表學(xué)會高級會員,，中國激光與光電子行業(yè)協(xié)會激光應(yīng)用分會青年委員,，中國激光雜志社第三屆青年編輯委員會委員，《光學(xué)學(xué)報》《紅外與激光工程》《應(yīng)用光學(xué)》等青年編委,，是Nature,、Optica、ACS等系列期刊審稿專家,。
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