科学家发现单个光子内部的“隐藏空间”

他们的研究成果发表在《自然·光子学》的一篇综述中，该综述探讨了结构化量子光在创建、控制和测量方面的快速进展。文章重点介绍了一系列日益强大的工具，包括芯片集成光子学、非线性光学和多平面光转换。这些方法共同将结构化量子态从实验室概念转变为用于成像、传感和量子网络的实用系统。

从空工具箱到先进量子控制——该研究的通讯作者、金山大学的安德鲁·福布斯教授表示，过去20年该领域的转变令人瞩目。“为特定目的设计量子光的量子态定制工作近年来加快了步伐，终于开始展现其全部潜力。20年前，用于此的工具箱几乎是空的。如今，我们有了紧凑高效的芯片级结构化量子光源，能够创建和控制量子态。”

对光子进行整形的一个主要优势是，研究人员可以使用高维编码。简单来说，每个光子能携带更多信息，且抗干扰能力更强。这使得结构化量子光在安全量子通信系统中特别具有吸引力。

长距离量子通信的挑战——尽管取得了进展，现实条件仍带来障碍。某些通信信道不太适合空间结构化光子，这限制了这些信号的传输距离，相比偏振等更传统的特性。“虽然我们取得了惊人进展，但仍存在挑战性问题，”福布斯说，“结构化光（无论是经典还是量子）的传输距离仍然很短……但这也是一个机会，激励人们寻找更多可利用的抽象自由度。”

为解决这一限制，研究人员正在探索赋予量子态拓扑性质的方法。拓扑特性可以使量子信息更稳定地抵抗干扰。“我们最近发现，量子波函数天然具有拓扑潜力，这有望在纠缠脆弱的情况下仍能保护量子信息，”福布斯说。

多维纠缠与未来应用——该综述还概述了多维纠缠、超快时间结构化、先进非线性检测技术以及紧凑型芯片设备的快速发展，这些设备能生成或处理比以往更高维度的量子光。这些突破正为高分辨率量子成像、超高精度测量工具以及能通过多个互联信道传输更多数据的量子网络铺平道路。

总体而言，该领域似乎正处于关键时刻。研究人员认为，基于结构化光的量子光学有望实现重大发展，未来“确实非常光明”——但还需要更多工作来提高维度、增加光子输出，并设计能在实际光学环境中稳定存在的量子态。