近日，北京理工大学光电学院高春清、付时尧团队联合中国科学技术大学史保森、周志远团队、加拿大蒙特利尔理工学院Shilong Liu博士以及新加坡南洋理工大学Yijie Shen助理教授，在激光谐振腔内光子角动量高维调控研究方面取得显著进展。通过将光子自旋-轨道角动量耦合引入V形激光谐振腔，首次实现了三体八维量子纠缠模拟态，即高维经典不可分离态(Classical non-separable state, CNSS)的激光谐振腔直接输出。该研究成果提供了具有集成性的高维量子态经典模拟源，以"Intra-Cavity Laser Manipulation of High-Dimensional Non-Separable States" 为题发表在光学顶级期刊Laser & Photonics Review(SCI一区，IF：11.0)上。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、博士后创新人才支持计划等资助。北京理工大学是唯一第一作者及通讯作者单位，北京理工大学2021级博士研究生海澜、2022级博士研究生张智超为共同第一作者，付时尧研究员为通讯作者。
CNSS光场是指由多个自由度耦合构造的光场，因其具有和量子纠缠态相似的数学形式，为许多量子过程的模拟提供了经典光场下的解决方案。目前以自旋角动量(Spin angular momentum, SAM)-轨道角动量(Orbtial angular momentum, OAM)双自由度耦合形成的矢量涡旋光场较为常见，但其维度较低，仅可用来模拟量子纠缠Bell态，在高维多体的量子过程模拟方面还存在局限，且调控过程多在腔外进行，制约了集成化、小型化发展的应用需求。
针对上述问题，为实现量子纠缠模拟中的维度拓展以及按需调控，该研究团队将自旋-轨道角动量耦合机制引入特殊设计的V形激光谐振腔，在腔内相互独立地调控了SAM、OAM以及波矢三个自由度，三个自由度各自具有两个本征态，可构成一个完备的八维希尔伯特空间。通过对图1(a)中自旋-轨道角动量耦合器件(QP)与腔内偏振控制元件(QWP)的协同控制，可直接腔内生成CNSS~，图1(b)展示了经典不可分离态空间结构光场，图1(c)展示了具体的调控过程。
图1 三自由度涡旋激光器结构以及调控机理
通过这种腔内调控方法，可以实现CNSS在八维空间内的正交基底选择，然而若要控制基底权重以模拟量子纠缠中的最大纠缠态(GHZ态)，还需要进行振幅和相位的精确控制。为了解决相位调控的难题，该团队在输出镜窗口外单波矢路径上垂直放置了一对K9光楔进行相位补偿，这样，可以实现三自由度经典光场下的八组最大纠缠态模拟，验证了完备的高维属性。
最后，该团队参考量子纠缠系统中的判定方式对所生成GHZ模拟态进行了验证，类比于量子态层析技术，结合传统自由度的投影方法以及卷积神经网络的相位分析方法，将高维光场依次投影至各个本征基底，如图2所示，测得各基底的振幅和相对相位，获取了完整的CNSS信息。
图2 类量子层析投影方法
在此基础上，该团队重构了理论和实验所得密度矩阵，数值计算其对应的保真度，实验测得结果可达95%，如图3所示。
图3 类GHZ态实验验证结果
该研究工作分析了矢量涡旋激光器进行高维量子态模拟的可能，为实现更高维度下多粒子量子态的模拟奠定了基础，为构造和验证高维、多自由度类量子纠缠态提供了一种直接、稳定、准确的方法。
