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近日，北京理工大學光電學院高春清、付時堯團隊聯(lián)合中國科學技術大學史保森、周志遠團隊、加拿大蒙特利爾理工學院Shilong Liu博士以及新加坡南洋理工大學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、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等資助。北京理工大學是唯一第一作者及通訊作者單位，北京理工大學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造的光場，因其具有和量子糾纏態(tài)相似的數(shù)學形式，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)空間結構光場，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構以及調(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，結合傳統(tǒng)自由度的投影方法以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的相位分析方法，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

在此基礎上，該團隊重構了理論和實驗所得密度矩陣，數(shù)值計算其對應的保真度，實驗測得結果可達95％，如圖3所示。

圖3 類GHZ態(tài)實驗驗證結果

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，為構造和驗證高維、多自由度類量子糾纏態(tài)提供了一種直接、穩(wěn)定、準確的方法。

附主要作者簡介：

海瀾，2021級博士研究生，導師為付時堯研究員，主要從事激光光場調(diào)控技術及應用研究，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，導師為高春清教授，主要從事激光光場調(diào)控技術及應用研究，發(fā)表SCI論文5篇，申請發(fā)明專利1項。

付時堯，北京理工大學長聘副教授（特別研究員）、博士生導師，主要研究方向為激光光場調(diào)控技術及應用。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)外頂級學術會議上作邀請報告10余次；獲21項授權發(fā)明專利；出版專著2部。獲北京市自然科學二等獎（第一完成人，2022）、中國光學學會王大珩光學獎（2017）、中國電子學會優(yōu)博（2020）。現(xiàn)為中國光學學會、中國儀器儀表學會高級會員，中國激光與光電子行業(yè)協(xié)會激光應用分會青年委員，中國激光雜志社第三屆青年編輯委員會委員，《光學學報》《紅外與激光工程》《應用光學》等青年編委，是Nature、Optica、ACS等系列期刊審稿專家。