近期，厦门大学物理学系张武虹助理教授、陈理想教授课题组把光场调控技术应用到量子光学领域，分别构建了角位置-轨道角动量共轭量的非相干操控新方法（Phys. Rev. A 104, 053719, 2021）、角位置自由度纠缠的新型判据（Phys. Rev. A 105, 062401，2022），并基于深度学习实现矢量光场分数阶偏振拓扑微结构的精密测量与识别（Phys. Rev. A 105, 053509，2022）。该系列工作为光场调控技术在非线性量子光学方面的应用提供了新思路，并有望为实现基于光场调控的新型高维量子信息应用技术提供新方法。

实现量子控制是量子信息技术应用的前提，在非线性量子光学领域，构建不同自由度双光子纠缠的控制是光量子信息研究的基础问题。目前已经广泛研究的光自由度包括时间、频率、振幅、相位、偏振等。特别的，近些年，角位置-轨道角动量这一对共轭物理量已经成为新颖的量子信息载体。

张武虹、陈理想课题组经过近3年的实验技术攻关，在国内首次成功搭建了一套利用泵浦光束的相干特性来控制双光子产生的实验平台，并于去年底在该平台上利用可调相干长度的部分相干光泵浦非线性晶体，实验上成功的调控了角位置-轨道角动量的双光子纠缠产生，纠缠调控的理论和实验结果如图1所示，通过对泵浦光束相干长度的调节，我们可以控制双光子的角位置-轨道角动量这对共轭物理量的纠缠态，实现从纠缠到非纠缠的直观控制。该工作不仅首次构建了非相干泵浦在角位置-轨道角动量自由度的调控理论，也从实验上成功证明了理论预测，为光量子控制研究提供了新颖的研究平台。

该工作于2021年底发表在 Physical Review A 104, 053719 (2021)。该实验平台为进一步实现多自由度的非相干调控提供了新方案，也为后续实现非相干调控在远距离量子信息相干传输的应用提供新思路。

相比于角位置-轨道角动量这对共轭物理量的调控，近两年，角位置作为单一自由度成为新颖的量子信息载体。与其它光自由度不同的是，角位置不仅为高维量子态的产生提供了新的维度，而且还具有周期性，近期研究表明这种角位置的周期性有望实现高维量子信息的远距离相干传输。

而实现角位置纠缠判定是其进一步应用的基础，张武虹、陈理想课题组基于近些年在Hardy非定域判据方面的积累（PRA 96, 022115，2017；PRA 101, 053821，2020），创新性地从实验上首次利用高维多设置Hardy理论证明了角位置的纠缠属性。相比贝尔不等式的纠缠判据需要构建最大化纠缠态，而Hardy理论的纠缠判据只需要非最大化纠缠态，而双光子角位置纠缠具备天然的非最大化纠缠态，并且角位置叠加态更为方便可调控，在实验上更容易制备获得最优Hardy态。如图2所示为角位置纠缠产生实验装置及7维角位置纠缠的Hardy判据实验结果，分别从理论和实验上成功证明了高达7维的角位置纠缠。

该工作近期发表在 Physical Review A 105, 062401 (2022),审稿人评价“该工作在量子信息领域可能引起极大的兴趣”。该工作也为高维量子信息处理中的基础理论-高维纠缠判据提供了新方法，有望拓展到真实环境下的远距离量子信息应用领域。

另一方面，光子不同自由度间的耦合调控也属于光场调控中的基础问题。比如近些年同时考虑光子的偏振自由度和轨道角动量自由度可以实现任意矢量光场的调控，而复杂的矢量光场中蕴含了各种各样的偏振拓扑结构，如何实现分数阶的偏振拓扑结构识别对偏振拓扑光学及其在光通信中的应用具有重要意义。

张武虹、陈理想课题组近两年将深度学习算法融入光场调控，在实验室构建了一套嵌入空间光调制器的双光路sagnac干涉仪，该装置可以方便高效的制备各种矢量光场。利用该装置，他们巧妙地产生了偏振C奇点指数小到0.01的矢量光场，并创新性地利用深度学习图像识别算法对该矢量光场进行了分析，成功实现了各种微小偏振拓扑结构的精确识别。

该工作近期发表在Physical Review A 105, 053509 (2022)。他们的实验装置及探测技术可以进一步用于多维度光场调控，比如基于非正交偏振的光场结构进行信息编解码和实现光量子多自由度的纠缠控制，多自由度的量子计算逻辑门等基础研究。

图3. 奇异偏振态拓扑结构的精确识别

参考文献