在充滿活力的光學(xué)物理領(lǐng)域，研究人員正在不斷突破如何操縱和利用光進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的界限。

據(jù)《Advanced Photonics Nexus》報(bào)道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIT）的一項(xiàng)研究介紹了一種分類和區(qū)分各種類型矢量結(jié)構(gòu)光束（VSB）的方法，有望在光通信和量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。論文題為 “利用自旋多路衍射超表面同時(shí)分揀任意矢量結(jié)構(gòu)光束”。

圖片:sorting-complex-light.jpg

多層自旋多路復(fù)用超表面在多路復(fù)用衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MDNN）中充當(dāng)神經(jīng)元，用于檢測(cè)和分類矢量結(jié)構(gòu)光束。

與以簡單直線軌跡傳播的傳統(tǒng)光束不同，矢量結(jié)構(gòu)光束可形成復(fù)雜、錯(cuò)綜復(fù)雜的圖案。這些光束不僅通過強(qiáng)度和波長等傳統(tǒng)方式傳輸信息，還通過復(fù)雜的空間和偏振配置傳輸信息。它們的多功能性使其成為數(shù)據(jù)編碼和通信的理想選擇。

高效管理和利用 VSB 一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。它們固有的復(fù)雜性要求在實(shí)際應(yīng)用中采用精確的分類和識(shí)別方法。提高光通信的效率、帶寬和安全性，促進(jìn)量子計(jì)算的創(chuàng)新，都取決于我們能否有效地處理這些錯(cuò)綜復(fù)雜的光束。

哈工大研究團(tuán)隊(duì)研究的核心是一種基于自旋多路衍射超表面的緊湊、高效設(shè)備。這種經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的表面在微觀層面上運(yùn)行，可以非常精確地操縱光束。

該裝置引導(dǎo)光束穿過一系列經(jīng)過精細(xì)調(diào)整的超表面層。每一層都以精確的方式與光線相互作用，將光線逐步塑造成預(yù)定的圖案。當(dāng)光線從設(shè)備中射出時(shí)，每種 VSB 類型都被明顯地分離出來，并可根據(jù)其獨(dú)特的特征進(jìn)行識(shí)別。這種同步分類能力為高維通信和量子信息處理帶來了新的可能性。

技術(shù)影響包括：

□ 光通信： 以更高的速度傳輸更多數(shù)據(jù)并提高安全性仍然是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。超表面處理復(fù)雜光束的能力表明，數(shù)據(jù)傳輸模式有可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而提高現(xiàn)有物理基礎(chǔ)設(shè)施的效率。

□ 量子計(jì)算： 量子信息處理從根本上有別于經(jīng)典計(jì)算。對(duì)光束的精確控制為加速量子計(jì)算系統(tǒng)提供了新的途徑。

挑戰(zhàn)與展望

雖然這項(xiàng)研究取得了巨大進(jìn)步，但將該設(shè)備集成到現(xiàn)有技術(shù)框架中并優(yōu)化其實(shí)際應(yīng)用仍具有挑戰(zhàn)性。不過，研究人員對(duì)其未來的影響持樂觀態(tài)度，并在積極完善這項(xiàng)技術(shù)。

該研究的資深通訊作者丁衛(wèi)強(qiáng)教授說：“我們?cè)诠獠倏v技術(shù)方面取得的突破，標(biāo)志著我們向復(fù)雜光束的實(shí)際應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。通過促進(jìn)對(duì)這些光束的精確控制，該技術(shù)不僅增強(qiáng)了現(xiàn)有能力，還為科學(xué)探索開辟了新途徑。”

從實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新到廣泛實(shí)際應(yīng)用的過程是錯(cuò)綜復(fù)雜的，但隨著這些開創(chuàng)性的進(jìn)步，通向日常集成的道路變得越來越清晰可見。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1117/1.APN.3.3.036010