西安交通大学物理学院高宏教授课题组在矢量结构光场与物质相互作用研究方面取得重要进展，在理论与实验上利用冷原子介质实现了矢量结构光场不可分离度测量的新机制，同时建立了矢量结构光场的偏振空间特性与原子态干涉图案之间的直接联系。该成果以“Measuring the Optical Concurrence of Vector Beams with an Atomic-State Interferometer”为题，于2024年5月9日发表在国际物理顶级期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》）上。

量子纠缠是微观粒子之间的一种关联关系，也是量子信息科学的核心。经典光场的不可分离度是可以类比量子纠缠态的重要概念，其表现为同一系统下不同自由度之间的关联特性，例如偏振态与空间模式。矢量结构光场具有空间不均匀的偏振分布，同时也是光子自旋与轨道角动量相互耦合的新型光场模式。不同于单一偏振且无不可分离特性的标量光场，矢量结构光场具有可自由调控的不可分离度。探索矢量结构光场的不可分离度与冷原子介质的映射关系对于光场调控、量子通讯和精密测量等领域具有重要的科学意义和研究价值。

高宏教授课题组与合作者通过开展矢量结构光场与冷原子介质相互作用的理论与实验研究，提出了一种测量矢量结构光场不可分离度的全新方法——利用冷原子介质中的空间电磁诱导透明效应，建立了矢量结构光场不可分离度与冷原子介质吸收特性的直接联系。在外加横向磁场作用下，矢量结构光场与原子能级耦合构造出闭环形式的原子跃迁通道，而正交自旋态所携带的轨道角动量赋予了原子跃迁通道不同的相位差，因此产生了空间分布的相长与相消干涉，改变了冷原子介质对矢量结构光场的吸收特性。结果表明，干涉图案的条纹对比度与矢量结构光场不可分离度存在映射关系，因此可以通过单次吸收图案直接得到矢量结构光场的不可分离度，突破了传统光学方案至少需要四次探测的局限性。此外，本工作还实现了矢量结构光场中的自旋与轨道角动量关联特性到原子空间自旋极化中的转移，这将为包括自旋电子学、量子存储器、计量学和原子时钟等领域提供新的理论和实验手段。

矢量结构光场与冷原子介质相互作用示意图

西安交通大学物理学院为该论文的第一完成单位，西安交通大学物理学院助理教授王金文博士为论文第一作者兼通讯作者，高宏教授与格拉斯哥大学Sonja Franke-Arnold教授为论文共同通讯作者。参与此工作的还有湖州师范大学陈云博士，英国格拉斯哥大学的Niclas Westerberg博士，以及匈牙利维格纳物理研究中心Thomas W. Clark博士等。

近年来，高宏教授课题组在光与物质相互作用、量子光学和量子信息领域进行了深入的研究，主要包括：高光学厚度冷原子的产生，并应用于高效、高维量子信息存储；新型结构光场的产生、传输及检测；原子介质中的量子相干机制与光场作用下的精密测量等。在物理科学领域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Photonics Res.、Phys. Rev. A、Appl. Phys. Lett.以及Opt. Lett.等发表一系列重要学术论文。研究工作得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委、中国博士后科学基金、陕西省博士后科学基金以及中央高校基本科研业务费等项目支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193803