La confección de la luz es muy similar a la confección de una tela, cortar y recortar para convertir una tela suave en una con el patrón deseado. En el caso de la luz, la confección se realiza generalmente en los grados espaciales de libertad, como su amplitud y fase (el 'patrón' de luz), y su polarización, mientras que el corte y el recorte pueden controlarse con moduladores de luz espacial y similares. Este campo floreciente se conoce como luz estructurada, y está superando los límites de lo que podemos hacer con la luz, permitiéndonos ver más pequeño, enfoca más fuerte, imagen con campos de visión más amplios, sonda con menos fotones, y empaquetar información a la luz para nuevas comunicaciones de gran ancho de banda. La luz estructurada también se ha utilizado para probar el límite cuántico clásico, empujando los límites con lo que la luz clásica puede hacer para los procesos cuánticos, y viceversa. Esto ha abierto la intrigante posibilidad de crear luz clásica que tenga propiedades cuánticas, como si estuviera "entrelazada clásicamente". Pero cómo crear y controlar tales estados de luz, ¿Y hasta dónde se pueden traspasar los límites?

Las herramientas predominantes para estructurar la luz de los láseres se ven obstaculizadas por la complejidad de los láseres especializados necesarios, a menudo requieren geometrías y / o elementos personalizados, mientras que el paradigma bidimensional predominante de usar solo patrones y polarización, significa acceder a la luz bidimensional clásicamente entrelazada, imitando qubits cuánticos, 1 y 0. Un ejemplo de esto serían los conocidos estados cuánticos de Bell, mostrado en la Figura 1 (izquierda), que como luz clásica aparece como luz estructurada vectorial, combinando los dos grados de libertad de 'patrón' y 'polarización'. Estos dos grados de libertad imitan las dos dimensiones del estado cuántico qubit. Crear dimensiones más altas requiere encontrar más grados de libertad en un sistema aparentemente limitado a solo dos.

En su artículo "Creación y control de luz entrelazada clásicamente multicomponente de alta dimensión, "Científicos chinos y sudafricanos informan sobre cómo crear luz clásica cuántica dimensional arbitraria directamente a partir de un láser. Utilizan un láser muy simple disponible en la mayoría de los laboratorios de enseñanza universitaria para mostrar luz entrelazada clásica de ocho dimensiones". un nuevo récord mundial. Luego pasan a manipular y controlar esta luz cuántica, creando los primeros estados de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) entrelazados clásicamente, un conjunto bastante famoso de estados cuánticos de alta dimensión, se muestra en la Figura 1.

"Los teóricos han sugerido durante mucho tiempo todas las aplicaciones que serían posibles con una luz semejante a la cuántica, pero la falta de pasos de creación y control ha prohibido cualquier progreso. Ahora hemos mostrado cómo superar este obstáculo, "dice el Dr. Shen de la Universidad de Tsinghua (actual investigador principal de la Universidad de Southampton), el autor principal del artículo.

Tradicionalmente, La luz estructurada exótica de los láseres requiere sistemas láser igualmente exóticos, ya sea con elementos personalizados (metasuperficies, por ejemplo) o geometrías personalizadas (basadas en fotónicas topológicas, por ejemplo). El láser construido por los autores contenía solo un cristal de ganancia y seguía el diseño de un libro de texto con solo dos espejos listos para usar. Su elegante solución se basa en un principio incrustado en la mecánica cuántica:la dualidad rayo-onda. Los autores pudieron controlar tanto la trayectoria como la polarización dentro del láser mediante un simple ajuste de longitud, explotando lo que se llama láseres de dualidad de ondas y rayos.

Según el profesor Forbes, el supervisor del proyecto, "Lo que es notable no es solo que pudimos crear estados de luz tan exóticos, pero que su fuente es un láser tan simple como puedas imaginar, con nada más que un par de espejos estándar ". Los autores se dieron cuenta de que los grados de libertad" extra "cruciales estaban justo frente a sus ojos, necesitando sólo un nuevo marco matemático para reconocerlos. El enfoque permite, en principio, crear cualquier estado cuántico simplemente marcando los rayos en forma de onda que son producidos por el láser y luego controlándolos externamente con un modulador de luz espacial. moldeándolos para darles forma. En un sentido, el láser produce las dimensiones necesarias, mientras que la modulación y el control posteriores moldean el resultado a algún estado deseado. Para demostrar esto, los autores produjeron todos los estados de GHZ, que abarcan un espacio de ocho dimensiones.

Debido a que nadie había creado nunca una luz entrelazada clásicamente de tan alta dimensión, los autores tuvieron que inventar un nuevo enfoque de medición, traducir la tomografía de estados cuánticos de alta dimensión a un lenguaje y una técnica adecuados para su clásico análogo de luz. El resultado es una nueva tomografía para luz entrelazada clásica, revelando sus correlaciones de tipo cuántico más allá de las dos dimensiones estándar.

Este trabajo proporciona un enfoque poderoso para crear y controlar la luz clásica de alta dimensión con propiedades cuánticas, allanando el camino para aplicaciones interesantes en metrología cuántica, corrección de errores cuánticos y comunicación óptica, así como para estimular los estudios fundamentales de la mecánica cuántica con una luz clásica brillante mucho más versátil.