量子纠缠是量子力学的一个基本特性，在信息处理和通信领域具有重要价值。光子量子态利用光子的弱相互作用，已被广泛探索。然而，人们认识到，要构建一个综合系统，复合方法可能是必要的。

结构光涉及在所有自由度（DoF）、空间和时间上对光进行定制，从而在经典和量子领域创建复杂的光场。自由度的结合已在二维、三维甚至四维领域中产生了新的光态。该领域近年来蓬勃发展，尤其以关于光的轨道角动量（OAM）的开创性研究为基础，引发了研究活动和研究深度的激增。

结构光简介

在典型的可见激光束中，每平方毫米存在数百万个横向模式，这为潜在的开发提供了极其宝贵的资源。历史上，人们的重点是高斯光束，并致力于消除不必要的横向结构。

《自然光子学》杂志发表的一篇文章揭示，将非结构化平面波与正弦条纹进行比较，可以揭示出关键原理。平面波的结构在于其均匀的相位梯度（只能通过干涉测量法观察到），而正弦条纹则构成了肉眼可见的光强度。

在光子晶体等限制光的系统中，可以实现即时三维控制。结构化物质和结构化光在此类系统中的协同作用，开启了众多激动人心的可能性。这种方法已被证明能够有效地对多模经典光和高维量子态执行幺正运算。另一种流行的方法是通过策略性地配置初始二维场的自由度 (DoF) 来控制光的三维结构。利用波的干涉，可以创建所需的结构，例如塔尔博特效应和分形光。

结构光如何彻底改变通信网络系统？

光在小横截面积内蕴含的多种模式所带来的潜力，可以彻底改变通信网络，提高速度。在量子领域，结构光的高维量子态有望显著提高安全性。

过去十年，结构光研究领域的快速发展主要得益于光通信，其目标是通过增加模式数量实现更快的通信速度。该领域的挑战包括湍流和发散，这限制了长距离演示的进行，使其仅限于无数据传输的传播。尽管结构光定制光纤的发展已展现出良好的前景，实现了八种模式50公里的传输距离，但仍然需要进行误差校正。与在单模光纤中使用高斯光束相比，这些距离仍然相对较短。

什么是混合纠缠，它如何在量子力学和光之间建立联系？

对单个自由度 (DoF) 的精确控制促进了空间模式发展的进步。此外，出现了更多奇特的纠缠光子态形式，它们包含各种自由度，在某些情况下甚至利用所有可用的自由度。根据发表在《AVS 量子科学》杂志上的文章，这些奇特量子态的一个显著例子是混合纠缠?；旌暇啦侵噶礁隹占渖戏掷氲牧Ｗ臃⑸啦扛隽Ｗ佣即嬖谟诓煌淖杂啥戎?。

自旋轨道 (SO) 耦合光学技术的引入使得极化 (自旋) 和轨道角动量 (OAM) 在单光子水平上进行接口成为可能，该领域取得了重大进展。

混合态有着许多引人入胜的应用，包括量子力学基础测试（例如量子擦除实验）中路径的抽象概念。这些状态也展现出巨大的实际应用潜力，在量子通信领域有着显著的应用案例。例如，混合模式已被用于在自由空间和光纤环境中基于“BB84”协议实现高维单光子量子密钥分发(QKD)。

用非线性探测器进行光的量子传输

远距离双方之间的信息交换，即无需物理传输即可共享数据，是未来量子网络发展的关键要素。利用高维状态进行此类交换，有望提升信息容量和抗噪声能力。然而，迄今为止，该领域的进展一直受到限制。

远程状态准备使各方之间能够交换信息，而无需通过链路物理传输信息，因此要求发送者掌握待发送信息的知识。远程传送促进了远距离各方之间的安全信息交换，而无需物理链路。

研究人员在《自然通讯》杂志上发表了一篇文章，描述了一个实验装置，用于呈现一个可在任意维度上运行的非线性空间量子传输系统。该方案利用两个纠缠光子建立量子通道，同时采用一个明亮的相干光源进行信息编码。

其中一个纠缠光子在非线性晶体中发生上转换，利用相干光束作为信息载体并提高效率。成功的单光子探测使得信息传输到另一个光子，这得益于双光子符合测量。该系统与维度和基无关，并且可以通过调整光束尺寸和晶体性质等参数轻松控制量子通道的模式容量。

通过在各种空间基上表达信息，包括轨道角动量 (OAM)、厄米-高斯及其叠加态，新的实验方法展示了跨多种空间模式的信息传递。实验结果得到了全面的理论验证，为通过非线性光学控制和检测来利用高维结构化量子态提供了一种新方法。

这种用于未知高维空间态量子传输的新颖方法，为未来开辟了激动人心的前景。该方法有望扩展到混合自由度，例如涉及偏振和空间的混合纠缠态，以及结合空间和时间的超纠缠态，有望实现多自由度和高维量子控制。这项创新标志着该领域迈出了重要一步，为先进的量子信息处理和通信应用提供了新的可能性。

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