Att skräddarsy ljus är ungefär som att skräddarsy tyg, klippa och klippa för att förvandla ett intetsägande tyg till ett med önskat mönster. När det gäller ljus, skräddararbetet görs vanligtvis i de rumsliga frihetsgraderna, såsom dess amplitud och fas (ljusets "mönster") och dess polarisering, medan skärningen och skärningen kan styras med rumsliga ljusmodulatorer och liknande. Detta spirande fält är känt som strukturerat ljus, och tänjer på gränserna för vad vi kan göra med ljus, gör det möjligt för oss att se mindre, fokusera hårdare, bild med bredare synfält, sond med färre fotoner, och att packa information till ljus för ny kommunikation med hög bandbredd. Strukturerat ljus har också använts för att testa den klassiska kvantgränsen, tänjer på gränserna med vad klassiskt ljus kan göra för kvantprocesser, och vice versa. Detta har öppnat den spännande möjligheten att skapa klassiskt ljus som har kvantliknande egenskaper - som om det är "klassiskt intrasslat". Men hur man skapar och kontrollerar sådana ljustillstånd, och hur långt kan man tänja på gränserna?

De rådande verktygen för att strukturera ljus från lasrar hindras av komplexiteten hos de specialiserade lasrarna som behövs, kräver ofta anpassade geometrier och/eller element, medan det rådande tvådimensionella paradigmet att endast använda mönster och polarisering, innebär åtkomst till tvådimensionellt klassiskt intrasslat ljus, efterlikna kvantkvantbitar, 1:or och 0:or. Ett exempel på detta skulle vara de välkända quantum Bell-staterna, visas i figur 1 (vänster), som som klassiskt ljus framstår som vektoriellt strukturerat ljus, kombinera de två frihetsgraderna "mönster" och "polarisering". Dessa två frihetsgrader efterliknar de två dimensionerna av qubit-kvanttillståndet. För att skapa högre dimensioner krävs att man hittar fler frihetsgrader i ett system som till synes begränsat till bara två.

I deras artikel "Skapande och kontroll av högdimensionellt flerdelat klassiskt intrasslat ljus, " Kinesiska och sydafrikanska forskare rapporterar om hur man skapar godtyckligt dimensionellt kvantliknande klassiskt ljus direkt från en laser. De använder en mycket enkel laser som finns tillgänglig i de flesta universitetsläraraboratorier för att visa åttadimensionellt klassiskt intrasslat ljus, ett nytt världsrekord. De fortsätter sedan med att manipulera och kontrollera detta kvantliknande ljus, skapade de första klassiskt intrasslade Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) tillstånden, en ganska berömd uppsättning högdimensionella kvanttillstånd, visas i figur 1.

"Teoretiker har länge föreslagit alla tillämpningar som skulle vara möjliga med sådant kvantliknande ljus, men avsaknaden av skapande och kontrollsteg har förbjudit alla framsteg. Nu har vi visat hur man övervinner detta hinder, " säger Dr Shen från Tsinghua University (nuvarande senior forskare vid University of Southampton), huvudförfattaren till tidningen.

Traditionellt, exotiskt strukturerat ljus från lasrar kräver lika exotiska lasersystem, antingen med anpassade element (metasytor till exempel) eller anpassade geometrier (topologiska fotoniska till exempel). Lasern som byggdes av författarna innehöll bara en förstärkningskristall och följde läroboksdesign med bara två hyllspeglar. Deras eleganta lösning bygger i sig på en princip inbäddad i kvantmekaniken:strålvågsdualitet. Författarna kunde kontrollera både väg och polarisering inuti lasern genom en enkel längdjustering, utnyttjar det som kallas strålvågsdualitetslasrar.

Enligt prof. Forbes, projektledaren, "Det som är anmärkningsvärt är inte bara att vi kunde skapa sådana exotiska tillstånd av ljus, men att deras källa är en så enkel laser som du kan föreställa dig, med inget mer än ett par standardspeglar." Författarna insåg att de avgörande "extra" frihetsgraderna låg mitt framför deras ögon, behöver bara en ny matematisk ram för att känna igen dem. Tillvägagångssättet tillåter i princip alla kvanttillstånd att skapas genom att helt enkelt markera de vågliknande strålarna som produceras av lasern och sedan externt kontrollera dem med en rumslig ljusmodulator, forma dem till formen. På sätt och vis, lasern producerar de mått som behövs, medan senare modulering och kontroll formar resultatet till något önskat tillstånd. För att demonstrera detta, författarna producerade alla GHZ-tillstånd, som spänner över ett åttadimensionellt utrymme.

Eftersom ingen någonsin hade skapat ett så högdimensionellt klassiskt intrasslat ljus, författarna var tvungna att uppfinna en ny mätmetod, översätta tomografi av högdimensionella kvanttillstånd till ett språk och en teknik som lämpar sig för dess klassiska ljusanalog. Resultatet är en ny tomografi för klassiskt intrasslat ljus, avslöjar dess kvantliknande korrelationer bortom de två standarddimensionerna.

Detta arbete ger ett kraftfullt tillvägagångssätt för att skapa och kontrollera högdimensionellt klassiskt ljus med kvantliknande egenskaper, banar väg för spännande tillämpningar inom kvantmetrologi, kvantfelskorrigering och optisk kommunikation, samt att stimulera grundläggande studier av kvantmekanik med mycket mer mångsidigt starkt klassiskt ljus.