高维多设置系统的Cabello非局域性原理及其实验测试

液晶空间光调制器主要由液晶光阀、驱动板、控制软件组成。其工作原理主要利用液晶的光电效应，在驱动信号的控制下，改变加载到盒内液晶分子上的电压，液晶分子发生偏转，双折射率改变，从而改变读出光在空间分布的振幅、相位或偏振态。液晶空间光调制器可以通过软件编程实现不同的调制模式，这种可编程性使得其可以在不同的应用场景中灵活使用，适应不同的光学需求。由于液晶空间光调制器的灵活性、高维调控能力和高精度测量等优势，能够有效提升实验的可操作性和数据的准确性，为研究量子非局域性提供了强有力的工具支持。

论文信息

最近的研究进展已经将Hardy非局域性原理扩展到了多设置和多维系统，以增强量子相关性。与Hardy非局域性原理相比，Cabello非局域性原理（CNA）能够更好地阐明量子的非局域性特征。然而，关于CNA是否可能扩展到任意（k，d）场景仍然是一个悬而未决的问题。文章从理论和实验上回答了这一问题。理论上，利用兼容性图，为高维多设置CNA构建了一个新的逻辑框架，证明了非局域事件的概率将随着设置数k和维度d的增加而增加。实验上，利用空间光调制器（SLM）的可重构特性来实现纠缠浓缩和测量。具体地，通过调整加载在SLM上的闪耀相位光栅的衍射效率，减小初始态中概率幅度过高的OAM模式权重，使得制备态与与最优量子态保存一致，从而同时实现纠缠浓缩和OAM叠加态的测量。通过这种测量方案，实验结果在（2,4）场景中得到了非局域性事件的概率为20.29%，在（6,2）场景中为28.72%，证明了高维多设置Cabello定理。本文的工作展示了量子力学和经典理论之间更尖锐的矛盾，超过了原始Cabello定理对非局域性概率的限制。

部分实验过程及实验结果

利用一个355nm紫外锁模激光器作为一个3毫米厚的β-硼酸钡（BBO）晶体的泵浦源，经过自发参量下转换过程产生710nm光子对。晶体后面放置了一个长通滤波器（IF）以阻挡泵浦光束，然后使用一个非偏振分束器（BS）来分离信号光子和闲频光子。在每个下转换臂中，一个由双透镜（L1、f1 = 200 mm和L2、f2 = 400 mm）组成的4f系统将BBO的输出面成像到两个SLM（SLM A和SLM B，FSLM-2K70-VIS）上。两个SLM上分别加载设计的全息图，用于制备所需的OAM测量态和用于实现纠缠浓缩过程。随后，使用另一个4f系统（L3，f3 = 500 mm和L4，f4 = 4 mm）将SLM面重新成像到与单光子计数模块连接的单模光纤（SMF）的输入面。此外，在SMF前面放置了两个带宽为10 nm、中心波长为710 nm的带通滤波器（BF），以减少对噪声光子的检测。这两个单光子计数器的输出被连接到一个具有25ns重合时间窗的重合计数电路上。

本实验中所采用空间光调制器的参数规格如下：

型号	FSLM-2K70-P02	调制类型	相位型
液晶类型	反射式	灰度等级	8位，256阶
分辨率	1920×1080	像元大小	8μm
有效区域	0.69" 15.36mm×8.64mm	填充因子	87%
平整度（PV）	校准前：5λ 校准后：1λ	平整度（RMS）	校准前：1/3λ 校准后：1/10λ
刷新频率	60Hz	响应时间	≤16ms
线性度	≥99%	配向角	0°
相位范围	2π@633nm Max：2.5π@633nm	光谱范围	400nm-700nm
Gamma校正	支持	相位校正	支持(450nm/532nm/635nm)
线性度	≥99%	相位稳定度（RMS）	≤0.13π
损伤阈值	连续: ≤20W/cm²(无水冷) ≤100W/cm²(水冷)	衍射效率	637nm 72.5%@ L8 75.2%@ L16 82%@ L32
面型校正	支持(532nm/635nm)	数据接口	HDMI/DVI

写在最后

液晶空间光调制器在量子领域的应用方向也非常广泛。例如，在量子通信领域，利用SLM可以产生和调制偏振态或相位，实现量子态的编码和解码，有望提高量子通信的安全性和效率。在量子干涉、量子随机行走等量子光学实验中，利用SLM可以创造复杂的光场并进行精确控制，从而验证一些量子力学的基本原理。还有量子测量与成像、量子传感、多集高维量子系统的研究等量子领域，SLM可以发挥出更大的优势。当然这对SLM的精确度和稳定度等参数也提出了更高的要求，我司将继续钻研，不断创新，不断突破，以响应更多更广更高的需求。

审核编辑 黄宇