Het op maat maken van licht lijkt veel op het op maat maken van een doek, knippen en knippen om van een saaie stof een stof te maken met een gewenst patroon. In het geval van licht, het afstemmen gebeurt meestal in de ruimtelijke vrijheidsgraden, zoals de amplitude en fase (het 'patroon' van licht), en zijn polarisatie, terwijl het snijden en knippen zou kunnen worden gecontroleerd met ruimtelijke lichtmodulatoren en dergelijke. Dit ontluikende veld staat bekend als gestructureerd licht, en verlegt de grenzen in wat we kunnen doen met licht, waardoor we kleiner kunnen zien, scherper focussen, beeld met bredere gezichtsvelden, sonde met minder fotonen, en om informatie in licht te verpakken voor nieuwe communicatie met hoge bandbreedte. Gestructureerd licht is ook gebruikt om de klassiek-kwantumgrens te testen, de grenzen verleggen met wat klassiek licht kan doen voor kwantumprocessen, en vice versa. Dit heeft de intrigerende mogelijkheid geopend om klassiek licht te creëren met kwantumachtige eigenschappen - alsof het 'klassiek verstrengeld' is. Maar hoe dergelijke lichttoestanden te creëren en te beheersen, en hoe ver kan men de grenzen verleggen?

De heersende tools voor het structureren van licht van lasers worden gehinderd door de complexiteit van de gespecialiseerde lasers die nodig zijn, vaak aangepaste geometrieën en/of elementen vereisen, terwijl het heersende tweedimensionale paradigma van het gebruik van alleen patroon en polarisatie, betekent toegang krijgen tot tweedimensionaal klassiek verstrengeld licht, het nabootsen van kwantumqubits, 1s en 0s. Een voorbeeld hiervan zijn de bekende kwantumkloktoestanden, getoond in figuur 1 (links), dat als klassiek licht verschijnt als vectorieel gestructureerd licht, het combineren van de twee vrijheidsgraden van 'patroon' en 'polarisatie'. Deze twee vrijheidsgraden bootsen de twee dimensies van de qubit-kwantumtoestand na. Om hogere dimensies te creëren, moeten meer vrijheidsgraden worden gevonden in een systeem dat schijnbaar beperkt is tot slechts twee.

In hun paper "Creation and control of high-dimensional multi-partite klassiek verstrengeld licht, " Chinese en Zuid-Afrikaanse wetenschappers rapporteren hoe ze willekeurig kwantumachtig klassiek licht rechtstreeks van een laser kunnen creëren. Ze gebruiken een zeer eenvoudige laser die beschikbaar is in de meeste universitaire onderwijslaboratoria om achtdimensionaal klassiek verstrengeld licht te tonen, een nieuw wereldrecord. Ze gaan dan verder met het manipuleren en beheersen van dit kwantumachtige licht, het creëren van de eerste klassiek verstrengelde Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) staten, een vrij beroemde set van hoogdimensionale kwantumtoestanden, weergegeven in figuur 1.

"Theoretici hebben lang alle toepassingen gesuggereerd die mogelijk zouden zijn met dergelijk kwantumachtig licht, maar het ontbreken van enige creatie- en controlestappen heeft elke vooruitgang in de weg gestaan. Nu hebben we laten zien hoe we deze hindernis kunnen overwinnen, " zegt Dr. Shen van de Tsinghua University (huidige senior research fellow aan de Universiteit van Southampton), de hoofdauteur van het artikel.

traditioneel, exotisch gestructureerd licht van lasers vereist even exotische lasersystemen, ofwel met aangepaste elementen (bijvoorbeeld meta-oppervlakken) of aangepaste geometrieën (bijvoorbeeld op topologische fotonische basis). De laser gebouwd door de auteurs bevatte alleen een versterkingskristal en volgde het leerboekontwerp met slechts twee kant-en-klare spiegels. Hun elegante oplossing is zelf gebaseerd op een principe dat is ingebed in de kwantummechanica:straalgolf-dualiteit. De auteurs konden zowel het pad als de polarisatie in de laser regelen door een eenvoudige lengteaanpassing, gebruikmakend van zogenaamde ray-wave duality lasers.

Volgens prof. Forbes, de projectbegeleider, "Wat opmerkelijk is, is niet alleen dat we zulke exotische lichttoestanden kunnen creëren, maar dat hun bron zo eenvoudig een laser is als je je maar kunt voorstellen, met niets meer dan een paar standaard spiegels." De auteurs realiseerden zich dat de cruciale "extra" vrijheidsgraden recht voor hun ogen lagen, alleen een nieuw wiskundig raamwerk nodig om ze te herkennen. De benadering maakt het in principe mogelijk om elke kwantumtoestand te creëren door simpelweg de golfachtige stralen die door de laser worden geproduceerd te markeren en deze vervolgens extern te regelen met een ruimtelijke lichtmodulator, ze in vorm te gieten. In zekere zin, de laser produceert de benodigde afmetingen, terwijl latere modulatie en controle het resultaat tot een bepaalde gewenste staat vormt. Om dit aan te tonen, de auteurs produceerden alle GHZ-staten, die een achtdimensionale ruimte overspannen.

Omdat niemand ooit zo'n hoogdimensionaal klassiek verstrengeld licht had gecreëerd, moesten de auteurs een nieuwe meetmethode uitvinden, tomografie van hoogdimensionale kwantumtoestanden vertalen in een taal en techniek die geschikt zijn voor zijn klassieke lichtanaloog. Het resultaat is een nieuwe tomografie voor klassiek verstrengeld licht, het onthullen van zijn kwantumachtige correlaties buiten de standaard twee dimensies.

Dit werk biedt een krachtige benadering voor het creëren en beheersen van hoogdimensionaal klassiek licht met kwantumachtige eigenschappen, de weg vrijmaken voor spannende toepassingen in de kwantummetrologie, kwantumfoutcorrectie en optische communicatie, evenals in het stimuleren van fundamentele studies van de kwantummechanica met veel veelzijdiger helder klassiek licht.