La lumière de couture est un peu comme la couture de tissu, couper et couper pour transformer un tissu fade en un avec un motif souhaité. Dans le cas de la lumière, l'adaptation se fait généralement dans les degrés de liberté spatiaux, tels que son amplitude et sa phase (le « motif » de la lumière), et sa polarisation, tandis que la coupe et la coupe pourraient être contrôlées avec des modulateurs de lumière spatiaux et similaires. Ce domaine en plein essor est connu sous le nom de lumière structurée, et repousse les limites de ce que nous pouvons faire avec la lumière, nous permettant de voir plus petit, concentrez-vous plus étroitement, image avec des champs de vision plus larges, sonde avec moins de photons, et mettre en lumière les informations pour les nouvelles communications à haut débit. La lumière structurée a également été utilisée pour tester la frontière classique-quantique, repousser les limites de ce que la lumière classique peut faire pour les processus quantiques, et vice versa. Cela a ouvert la possibilité intrigante de créer une lumière classique qui possède des propriétés de type quantique, comme si elle était « classiquement enchevêtrée ». Mais comment créer et contrôler de tels états de lumière, et jusqu'où peut-on repousser les limites ?

Les outils dominants pour structurer la lumière des lasers sont entravés par la complexité des lasers spécialisés nécessaires, nécessitant souvent des géométries et/ou des éléments personnalisés, tandis que le paradigme bidimensionnel dominant consistant à utiliser uniquement le motif et la polarisation, signifie accéder à une lumière classique enchevêtrée en deux dimensions, imitant les qubits quantiques, 1 et 0. Un exemple de ceci serait les états de Bell quantiques bien connus, illustré à la figure 1 (à gauche), qui en tant que lumière classique apparaît comme une lumière structurée vectorielle, combinant les deux degrés de liberté de « motif » et de « polarisation ». Ces deux degrés de liberté imitent les deux dimensions de l'état quantique qubit. Pour créer des dimensions plus élevées, il faut trouver plus de degrés de liberté dans un système apparemment limité à deux.

Dans leur article "Creation and control of high-dimensional multipartite classicly enchevêtré light, " Des scientifiques chinois et sud-africains expliquent comment créer une lumière classique de type quantique de dimensions arbitraires directement à partir d'un laser. Ils utilisent un laser très simple disponible dans la plupart des laboratoires d'enseignement universitaire pour montrer une lumière classique enchevêtrée à huit dimensions, un nouveau record du monde. Ils continuent ensuite à manipuler et à contrôler cette lumière de type quantique, créant les premiers États de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) intriqués de manière classique, un ensemble assez célèbre d'états quantiques de grande dimension, illustré à la figure 1.

"Les théoriciens ont longtemps suggéré toutes les applications qui seraient possibles avec une telle lumière de type quantique, mais l'absence d'étapes de création et de contrôle a interdit tout progrès. Maintenant, nous avons montré comment surmonter cet obstacle, " dit le Dr Shen de l'Université Tsinghua (actuel chercheur principal à l'Université de Southampton), l'auteur principal de l'article.

Traditionnellement, la lumière structurée exotique des lasers nécessite des systèmes laser tout aussi exotiques, soit avec des éléments personnalisés (métasurfaces par exemple) ou des géométries personnalisées (basées sur la photonique topologique par exemple). Le laser construit par les auteurs ne contenait qu'un cristal de gain et suivait la conception d'un manuel avec seulement deux miroirs standard. Leur solution élégante est elle-même construite sur un principe ancré dans la mécanique quantique :la dualité rayon-onde. Les auteurs ont pu contrôler à la fois le trajet et la polarisation à l'intérieur du laser par un simple ajustement de la longueur, exploitant ce qu'on appelle les lasers à dualité rayon-onde.

Selon le professeur Forbes, le maître d'oeuvre, "Ce qui est remarquable, ce n'est pas seulement que nous puissions créer des états de lumière aussi exotiques, mais que leur source est aussi simple qu'un laser qu'on puisse imaginer, avec rien de plus que quelques miroirs standard." Les auteurs ont réalisé que les degrés de liberté "supplémentaires" cruciaux étaient juste devant leurs yeux, n'ayant besoin que d'un nouveau cadre mathématique pour les reconnaître. L'approche permet en principe de créer n'importe quel état quantique en marquant simplement les rayons ondulatoires produits par le laser, puis en les contrôlant de l'extérieur avec un modulateur spatial de lumière, les façonner en forme. Dans un sens, le laser produit les dimensions nécessaires, tandis que la modulation et le contrôle ultérieurs façonnent le résultat à un état souhaité. Pour le démontrer, les auteurs ont produit tous les états GHZ, qui s'étendent sur un espace à huit dimensions.

Parce que personne n'avait jamais créé une telle lumière classique enchevêtrée de haute dimension, les auteurs ont dû inventer une nouvelle approche de mesure, traduire la tomographie d'états quantiques de grande dimension dans un langage et une technique adaptés à son analogue de lumière classique. Le résultat est une nouvelle tomographie pour une lumière enchevêtrée de manière classique, révélant ses corrélations de type quantique au-delà des deux dimensions standard.

Ce travail fournit une approche puissante pour créer et contrôler une lumière classique de grande dimension avec des propriétés de type quantique, ouvrant la voie à des applications passionnantes en métrologie quantique, correction d'erreur quantique et communication optique, ainsi que pour stimuler les études fondamentales de la mécanique quantique avec une lumière classique brillante beaucoup plus polyvalente.