A luz de alfaiataria é muito parecida com o tecido de alfaiataria, cortar e recortar para transformar um tecido leve em um com o padrão desejado. No caso de luz, a alfaiataria geralmente é feita nos graus de liberdade espaciais, como sua amplitude e fase (o 'padrão' de luz), e sua polarização, enquanto o corte e recorte podem ser controlados com moduladores de luz espacial e semelhantes. Este campo florescente é conhecido como luz estruturada, e está ultrapassando os limites do que podemos fazer com a luz, permitindo-nos ver o menor, foco mais forte, imagem com campos de visão mais amplos, sonda com menos fótons, e para embalar informações para novas comunicações de alta largura de banda. A luz estruturada também foi usada para testar o limite quântico clássico, empurrando os limites com o que a luz clássica pode fazer pelos processos quânticos, e vice versa. Isso abriu a possibilidade intrigante de criar luz clássica com propriedades quânticas - como se fosse 'classicamente emaranhada'. Mas como criar e controlar esses estados de luz, e até onde se pode ultrapassar os limites?

As ferramentas predominantes para estruturar a luz dos lasers são prejudicadas pela complexidade dos lasers especializados necessários, frequentemente exigindo geometrias e / ou elementos personalizados, enquanto o paradigma bidimensional prevalecente de usar apenas padrão e polarização, significa acessar luz bidimensional classicamente emaranhada, imitando qubits quânticos, 1s e 0s. Um exemplo disso seriam os conhecidos estados quânticos de Bell, mostrado na Figura 1 (esquerda), que, como luz clássica, aparece como luz estruturada vetorial, combinando os dois graus de liberdade de 'padrão' e 'polarização'. Esses dois graus de liberdade imitam as duas dimensões do estado quântico do qubit. Para criar dimensões mais altas, é necessário encontrar mais graus de liberdade em um sistema aparentemente restrito a apenas dois.

Em seu artigo "Criação e controle de luz classicamente emaranhada multipartite de alta dimensão, "Cientistas chineses e sul-africanos relatam como criar luz clássica quântica com dimensão arbitrária diretamente de um laser. Eles usam um laser muito simples disponível na maioria dos laboratórios de ensino universitário para mostrar luz clássica emaranhada em oito dimensões, um novo recorde mundial. Eles então manipulam e controlam essa luz quântica, criando os primeiros estados clássicos de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), um conjunto bastante famoso de estados quânticos de alta dimensão, mostrado na Figura 1.

"Os teóricos há muito sugerem todas as aplicações que seriam possíveis com essa luz quântica, mas a falta de quaisquer etapas de criação e controle proibiu qualquer progresso. Agora mostramos como superar esse obstáculo, "diz o Dr. Shen da Universidade de Tsinghua (atual pesquisador sênior da Universidade de Southampton), o autor principal do artigo.

Tradicionalmente, luz exótica estruturada de lasers requer sistemas de laser igualmente exóticos, quer com elementos personalizados (metasuperfícies, por exemplo) ou geometrias personalizadas (com base fotônica topológica, por exemplo). O laser construído pelos autores continha apenas um cristal de ganho e seguia o design do livro com apenas dois espelhos prontos para uso. Sua solução elegante é construída sobre um princípio embutido na mecânica quântica:dualidade de ondas de raio. Os autores puderam controlar o caminho e a polarização dentro do laser por um simples ajuste de comprimento, explorando o que é chamado de lasers de dualidade de ondas de raio.

De acordo com o Prof. Forbes, o supervisor do projeto, "o que é notável não é apenas que possamos criar esses estados de luz exóticos, mas que sua fonte é um laser tão simples quanto você poderia imaginar, com nada mais do que alguns espelhos padrão. "Os autores perceberam que os graus de liberdade" extras "cruciais estavam bem diante de seus olhos, precisando apenas de uma nova estrutura matemática para reconhecê-los. A abordagem permite, em princípio, qualquer estado quântico a ser criado simplesmente marcando os raios em forma de onda que são produzidos pelo laser e, em seguida, controlando-os externamente com um modulador de luz espacial, moldando-os para dar forma. Num sentido, o laser produz as dimensões necessárias, enquanto a modulação e o controle posteriores moldam o resultado a algum estado desejado. Para demonstrar isso, os autores produziram todos os estados GHZ, que abrange um espaço de oito dimensões.

Porque ninguém jamais havia criado uma luz emaranhada classicamente tão alta e dimensional, os autores tiveram que inventar uma nova abordagem de medição, traduzir tomografia de estados quânticos de alta dimensão em uma linguagem e técnica adequada para seu análogo de luz clássico. O resultado é uma nova tomografia para luz classicamente emaranhada, revelando suas correlações quânticas além das duas dimensões padrão.

Este trabalho fornece uma abordagem poderosa para criar e controlar luz clássica de alta dimensão com propriedades quânticas, pavimentando o caminho para aplicações interessantes em metrologia quântica, correção de erros quânticos e comunicação óptica, bem como no estímulo aos estudos fundamentais da mecânica quântica com uma luz clássica brilhante muito mais versátil.