维尔纽斯大学物理系的研究人员开发了一种理论模型，该模型允许仅通过光对原子进行“预编程”，以重塑既携带扭转又携带偏振的激光束。这项由硕士生 Dharma Prasetya Permana 与理论物理与天文研究所的 Mažena Mackoit-Sinkevičienė 博士、Julius Ruseckas 博士和 Hamid Reza Hamedi 博士共同完成的研究，开辟了一条无需磁场的途径，用于控制面向量子技术的结构光。该研究近期发表在著名期刊《Physical Review A》上。

扭曲的光

该团队的研究聚焦于光学涡旋——一种特殊的光束，其结构在传播过程中会发生扭转。D. P. Permana 解释说：“与水中物质本身旋转的漩涡不同，光学涡旋是光波结构中的扭转。当光束传播时，其波前会形成螺旋状结构。”

在此类光束的中心，光强降至为零，形成一个微小的暗核。该区域的大小取决于一个称为拓扑荷的量，它衡量了波前围绕光束轴完成的完整扭转次数。

D. P. Permana 解释道：“拓扑荷为零意味着没有扭转。当拓扑荷增加到1时，中心会出现一个微小的暗核。随着拓扑荷增加，结构变得更加明显。你可以把它想象成螺丝的螺纹——拓扑荷越高，扭转越紧。”

理论上，这个数字没有上限；它可以取任意整数值，包括正数和负数。这使得光学涡旋在将信息编码成多种不同状态方面特别有吸引力。在实践中，可以创建多达一万种不同的状态。

H. R. Hamedi 博士补充道：“研究人员已经开始利用这些光涡旋来构建先进的量子通信信道。与仅能保存两种状态的标准量子比特不同，光涡旋允许将信息编码在更高维度的量子态（称为qudits）中，从而极大地增加单个光子能够携带的数据量。”

光的自旋与旋转

光以波的形式传播，其可被操控的方式有两种截然不同：偏振和涡旋。通常，灯或太阳发出的光是混乱的，其波同时在各个方向上剧烈振动。

M. Mackoit-Sinkevičienė 博士解释道：“偏振描述了波是如何振动的。想象一下把一根绳子系在墙上并摇晃它。上下摇动手，波就会垂直振动；左右摇动，波就会水平振动。这种振动方向就是物理学家所说的波的偏振。偏光太阳镜就像带有垂直栅栏的篱笆：它们允许垂直振动的光通过，并阻挡来自道路或水面的水平眩光。而涡旋描述的是光束的整体形状。光并非像一面平坦的波墙一样传播，而是在前进过程中扭曲成一个螺旋楼梯。”

当科学家将这两个概念结合起来时，就得到了矢量涡旋：一种具有结构化图案和振动方式的光束。M. Mackoit-Sinkevičienė 博士解释道：“想象一个螺旋楼梯，台阶的方向会随着你向上爬而改变。在楼梯底部，台阶朝北——即垂直偏振。当你沿着螺旋向上走时，台阶会逐渐转向朝东——即水平偏振。在矢量涡旋中，光束像漩涡一样扭转，而光波振动的方向则取决于你在那个漩涡中的位置。”

“可编程”的原子

为了操控矢量涡旋并利用其进行高级信息处理，VU的研究人员研究了这些光束如何与原子气体相互作用。他们选择了一种三能级原子介质，这是量子光学中的标准模型。

H. R. Hamedi 博士表示：“我们开发了一个理论模型，展示了如何对这些原子进行‘预编程’，以修改光学矢量涡旋的形状。当这种光通过准备好的原子介质时，原子会以高度结构化的方式做出响应。它们有效地继承了光的空间模式，形成一些区域对光强烈吸收，另一些区域则对光几乎透明。”

这在光与物质之间创建了一种反馈机制：光塑造了原子的响应，而原子的响应则重塑了光。光束在传播过程中发生转变。它不再是具有暗中心的简单环形强度分布，而是演变成一种花瓣状图案，光集中在围绕中心排列的几个明亮瓣中。同时，光束的偏振结构也发生演化，表明介质主动控制了其空间形状和自旋。

J. Ruseckas 博士表示：“这表明，通过预先准备好原子介质，我们不仅可以控制复杂光结构在空间中的演化，还能控制其偏振在穿过物质时如何变化。”

量子技术中的应用

这项研究将预编程原子定位为操纵光的强大工具，对量子计算和高密度数据传输具有重要影响。

D. P. Permana 表示：“到目前为止，以这种方式控制结构光需要强大的外部磁场。产生这些磁场需要复杂、庞大且通常昂贵的设备，这限制了这些系统集成到紧凑型技术中的可行性。”

H. R. Hamedi 博士说道：“我们的方法是纯光学的。通过利用光本身来‘编程’原子，我们消除了对磁场的需求。这提供了一种更灵活、可扩展且优雅的方式来控制光与物质的相互作用。最终，这将为更快的量子处理器、高度安全的量子通信网络以及极其精密的光学传感器铺平道路。”