南非威特沃特斯蘭德大學的物理學家與巴塞隆納自治大學的同事一起展示瞭如何在空間和時間的量子層面上故意塑造光，以創建高維和多維量子態。透過仔細控制光子的空間、時間和光譜模式，該團隊可以設計所謂的結構化光子。這些客製化的光粒子為高容量量子通訊和下一代量子技術開啟了新的可能性。
他們的發現發表在一篇評論中 自然光子學它探索了創造、控制和測量結構量子光的快速進展。該論文重點介紹了一系列不斷增長的強大工具，包括整合片上光子學、非線性光學和多平面光轉換。這些方法共同將結構化量子態從實驗室概念轉變為用於成像、檢測和量子網路的實用系統。
從空工具箱到先進的量子控制
該研究的通訊作者、金山大學安德魯福布斯教授表示，過去20年該領域發生了重大轉變。 「量子態的測量，其中量子光是為特定目的而設計的，最近已經加快步伐，並終於開始展示其全部潛力。二十年前，用於測量的工具箱幾乎是空的。今天，我們擁有緊湊而高效的片上量子光源，能夠創建和控制量子態。”
光子整形的一個主要優點是它允許研究人員使用高維編碼字母表。簡單來說，每個光子可以攜帶更多的訊息，更有效地處理幹擾。這使得結構化量子光對於安全量子通訊系統特別有吸引力。
遠程量子通訊的挑戰
儘管取得了進展，但現實世界的條件仍然構成障礙。某些通訊通道不適合空間結構光子，與偏振等傳統特性相比，這限制了這些訊號的傳播距離。福布斯表示：“雖然我們取得了驚人的進步，但仍然存在具有挑戰性的問題。” “結構光的距離，無論是經典光還是量子光，仍然非常低……但這也是一個機會，刺激人們尋找更抽象的自由度來利用。”
為了克服這個限制，研究人員正在探索將拓樸特性賦予量子態的方法。拓樸特徵可以在面對擾動時穩定量子資訊。福布斯說：“我們最近展示了量子波函數如何具有本質上拓撲的潛力，這保證了量子資訊的守恆，即使糾纏是脆弱的。”
多維糾纏與未來應用
該評論還描述了多維糾纏、超快時間結構、先進的非線性檢測技術以及可以生成或處理比以往更高維度的量子光的緊湊片上裝置的發展。這些進步為高解析度量子成像、高精度測量工具以及能夠透過多個互連通道傳輸更多資料的量子網路鋪平了道路。
總體而言，該領域似乎正處於關鍵時刻。研究人員認為，基於結構光的量子光學有望大幅增長，未來看起來“非常光明”，但還需要做更多的工作來增加維度、增加光子輸出以及設計能夠承受現實光學環境的量子態。
