La luce sartoriale è molto simile alla stoffa sartoriale, tagliare e tagliare per trasformare un tessuto blando in uno con un motivo desiderato. Nel caso della luce, la sartoria viene solitamente eseguita nei gradi di libertà spaziali, come la sua ampiezza e fase (il "modello" della luce), e la sua polarizzazione, mentre il taglio e lo snipping potrebbero essere controllati con modulatori di luce spaziale e simili. Questo fiorente campo è noto come luce strutturata, e sta spingendo i limiti in ciò che possiamo fare con la luce, permettendoci di vedere più piccoli, focalizzare meglio, immagine con campi visivi più ampi, sonda con meno fotoni, e per mettere in luce le informazioni per nuove comunicazioni a banda larga. La luce strutturata è stata utilizzata anche per testare il confine quantistico classico, spingendo i limiti con ciò che la luce classica può fare per i processi quantistici, e viceversa. Questo ha aperto l'intrigante possibilità di creare luce classica che ha proprietà quantistiche, come se fosse "classicamente entangled". Ma come creare e controllare tali stati di luce, e fino a che punto si possono spingere i limiti?

Gli strumenti prevalenti per strutturare la luce dai laser sono ostacolati dalla complessità dei laser specializzati necessari, spesso richiedono geometrie e/o elementi personalizzati, mentre il paradigma bidimensionale prevalente di usare solo pattern e polarizzazione, significa accedere alla luce bidimensionale classicamente intrecciata, imitando i qubit quantistici, 1 e 0. Un esempio di ciò potrebbero essere i ben noti stati quantistici di Bell, mostrato in Figura 1 (a sinistra), che come luce classica appare come luce strutturata vettoriale, combinando i due gradi di libertà di "modello" e "polarizzazione". Questi due gradi di libertà imitano le due dimensioni dello stato quantistico dei qubit. Per creare dimensioni più elevate è necessario trovare più gradi di libertà in un sistema apparentemente vincolato a due soli.

Nel loro articolo "Creazione e controllo della luce classicamente entangled multipartita ad alta dimensione, Scienziati cinesi e sudafricani riferiscono su come creare luce classica quantistica dimensionale arbitraria direttamente da un laser. Usano un laser molto semplice disponibile nella maggior parte dei laboratori didattici universitari per mostrare la luce classicamente entangled a otto dimensioni, un nuovo record mondiale. Quindi continuano a manipolare e controllare questa luce quantistica, creando i primi stati di Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) classicamente intrecciati, un insieme piuttosto famoso di stati quantistici ad alta dimensione, mostrato in Figura 1.

"I teorici hanno a lungo suggerito tutte le applicazioni che sarebbero possibili con tale luce quantistica, ma la mancanza di qualsiasi passaggio di creazione e controllo ha impedito ogni progresso. Ora abbiamo mostrato come superare questo ostacolo, " dice il dottor Shen della Tsinghua University (attuale ricercatore senior presso l'Università di Southampton), l'autore principale dell'articolo.

Tradizionalmente, la luce strutturata esotica dei laser richiede sistemi laser altrettanto esotici, sia con elementi personalizzati (metasuperfici per esempio) o geometrie personalizzate (basate sulla fotonica topologica per esempio). Il laser costruito dagli autori conteneva solo un cristallo di guadagno e seguiva il design da manuale con solo due specchi standard. La loro soluzione elegante è essa stessa costruita su un principio incorporato nella meccanica quantistica:la dualità raggio-onda. Gli autori potevano controllare sia il percorso che la polarizzazione all'interno del laser con una semplice regolazione della lunghezza, sfruttando i cosiddetti laser a dualità ray-wave.

Secondo il prof. Forbes, il responsabile del progetto, "ciò che è straordinario non è solo che siamo riusciti a creare stati di luce così esotici, ma che la loro fonte è un semplice laser come puoi immaginare, con nient'altro che un paio di specchi standard." Gli autori si sono resi conto che i cruciali gradi di libertà "extra" erano proprio davanti ai loro occhi, bisogno solo di un nuovo quadro matematico per riconoscerli. L'approccio consente in linea di principio di creare qualsiasi stato quantistico semplicemente contrassegnando i raggi simili a onde prodotti dal laser e quindi controllandoli esternamente con un modulatore di luce spaziale, modellandoli a forma. In un senso, il laser produce le dimensioni necessarie, mentre la modulazione e il controllo successivi modellano il risultato in uno stato desiderato. Per dimostrare questo, gli autori hanno prodotto tutti gli stati GHZ, che abbracciano uno spazio a otto dimensioni.

Poiché nessuno aveva mai creato una luce così classicamente intrecciata ad alta dimensione, gli autori hanno dovuto inventare un nuovo approccio di misurazione, tradurre la tomografia di stati quantistici ad alta dimensione in un linguaggio e una tecnica adatti al suo classico analogo della luce. Il risultato è una nuova tomografia per la luce classicamente intrecciata, rivelando le sue correlazioni quantistiche oltre le due dimensioni standard.

Questo lavoro fornisce un potente approccio alla creazione e al controllo della luce classica ad alta dimensione con proprietà quantistiche, aprendo la strada a interessanti applicazioni nella metrologia quantistica, correzione degli errori quantistici e comunicazione ottica, così come nello stimolare gli studi fondamentali della meccanica quantistica con una luce classica brillante molto più versatile.