近日，清华大学柳强教授、付星副教授课题组与新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授合作，首次将“量子压缩”机理引入多自由度几何模中，构建了经典几何模的压缩相干态，揭示了量子压缩态噪声、经典压缩态几何模光束尺寸之间的量子-经典类比关系。得益于“量子压缩”机制，经典压缩态几何模载波可有效降低通信模式串扰，从而提升空间模式复用容量，为量子-经典类比的应用研究提供了创新思路。该研究成果以“Squeezed Coherent States of Geometric Beams”为题在线发表于《ACS Photonics》期刊，入选“Rising Stars in Photonics”专辑。
面向光通信容量的跨越式提升需求，结构光的正交空间模式在理论上可提供无限多信道，但存在重大瓶颈问题：发散角随着通道数的增加（阶数增加）而迅速上升，限制了结构光对通信带宽的实际提升效果。新型光通信载波模式——“超自由度”结构光 [Light Sci Appl 11, 144 (2022)，ACS Photonics 2023, 10, 7, 2149–2164] 具有发散角的高度简并特性，使自由空间光通信的可复用信道数上限大幅提升了2个数量级。“超自由度”结构光的强度波包与经典几何光线耦合，也可称为几何模[J. Opt. 23 124004，Phys. Rev. A 102, 031501(R)]，推动了结构光高维调控技术的发展[Light Sci Appl 11, 205 (2022)，Opt. Lett. 47, 2052-2055 (2022)，Laser Photonics Rev. 18(4)/2024]。然而，发散角高度简并的“超自由度”结构光存在模间串扰，影响通信误码率。
为了解决该问题，本工作在量子-经典类比研究理念的启发下，首次将“量子压缩”的机理引入“超自由度”结构光中，类比量子压缩噪声提高测量精度的方法，设计了一种具有低模间串扰的简并光通信载波模式——压缩波迹结构光（即：经典压缩相干态结构光），可有效降低通信误码率。该成果发表于ACS Photonics期刊，入选“Rising Stars in Photonics”专辑。
注：量子-经典类比（quantum-classical analogy）指量子光学与经典光学现象在数学与物理上的相似性。量子压缩态具有突破标准量子极限的能力，在精密测量、引力波探测等领域具有重要应用[Nat. Photonics 7, 613–619 (2013)，Nature 583, 43–47 (2020)，Nature 594, 201–206 (2021)，Nature 612, 661–665 (2022)]。“量子压缩”机理在近日被清华大学精仪系本团队引入结构光调控领域[Light Sci Appl 13, 297 (2024)]。
本工作系统构建了压缩波迹结构光理论模型，揭示了该光场的独特“压缩”行为：被压缩的几何模经典轨迹在径向发生振荡，类似于量子压缩态的噪声波动，表现出奇特的量子-经典类比现象。同时，经典压缩态几何模的“压缩机制”提供了一种新颖的可调谐自由度——压缩度，在光通信和光学操纵等应用领域大有可为。
几何模的压缩相干态理论模型：数学上，量子压缩态可以表示为一系列数态的叠加，通过叠加数态的方式实现降低噪声水平的目标，如图1a，b描绘了量子态在相空间的概率分布；可见，量子压缩态在相空间中沿垂直方向的概率分布减小，代价则是沿水平方向的概率分布变大。本创新工作中，研究人员将经典几何模作为量子数态的类比（如图1c，e所示），通过经典几何模的叠加实现了几何模光束尺寸压缩/放大的效果（如图1d，f所示）。值得注意的是，经典压缩态几何模的光斑尺寸演化与量子压缩态概率分布演化的对应过程，可通过压缩度τ（F(τ)函数）定量表示。图2展示了经典压缩态几何模的波迹结构——波包分布与光线簇耦合。
图1：量子压缩态与经典压缩态几何模的量子-经典类比。
图2：经典压缩态几何模的波迹结构。
经典压缩态几何模作为信息载体：得益于“压缩”机制，经典压缩态几何模作为信息载体，可以减少通信模式信道之间的串扰。如图3（a）所示，与传统几何模（τ=0）相比，通过增大压缩度（τ=-0.5），可以有效降低模间串扰，从而支撑更大的通信容量。以相干态相位自由度为例进行分析：压缩度τ=0时（传统几何模），该自由度可提供的通信比特数为4，当引入“压缩”机制后，通信比特数增大一倍。该效果可通过图3（b）的模式串扰矩阵阐释，矩阵对角线元素为“1”，非对角线元素均小于阈值Gt（视为“0”）。实验传输图像的信息准确率达99%以上（误码率为0.4%，如图3（c, d）所示）。此外，经典压缩态几何模具有压缩度、相干态相位、中心轨道角动量、子光束轨道角动量等多个可调谐自由度，可拓展通信容量。
图3：经典压缩态几何模的模间串扰与信息载体实验结果。
