维度网讯，立陶宛维尔纽斯大学物理系的研究人员开发出一种理论模型，可通过对原子进行“预编程”，仅利用光来重塑携带扭转和偏振的激光束。该研究由硕士生Dharma Prasetya Permana与理论物理与天文研究所的Dr Mažena Mackoit-Sinkevičienė、Dr Julius Ruseckas和Dr Hamid Reza Hamedi共同完成，为量子技术中结构光的无磁控制开辟了新路径。研究成果已发表在期刊《Physical Review A》上。

该团队的研究聚焦于光学涡旋，这是一种在传播过程中结构发生扭转的特殊光束。与水中物质旋转的漩涡不同，光学涡旋是光波结构的扭曲，其波前形成螺旋状结构。光束中心的光强度降至零，留下一个小的暗核，其大小由称为拓扑荷的量决定，该量表示波前绕光束轴扭转的完整圈数。拓扑荷为零时没有扭转，增加拓扑荷会使结构更加明显，拓扑荷越高，扭转越紧。理论上，拓扑荷可以取任何整数值，正负均可，这使得光学涡旋在编码信息方面具有吸引力，可创建多达一万种不同的状态。研究人员已开始利用这些光涡旋构建先进的量子通信通道。与仅持有两种状态的量子比特不同，光涡旋允许信息编码在更高维度的量子态中，称为量子多维态，从而极大增加单个光子携带的数据量。

光的传播涉及两种操控方式：偏振和涡旋。偏振描述波的振动方向，涡旋描述光束的整体形状。当科学家将这两个概念结合时，就得到矢量涡旋，这是一种同时具有结构图案和振动模式的光束。为操控矢量涡旋并将其用于高级信息处理，研究人员研究了这些光束如何与原子气体相互作用，选择了一种三能级原子介质。研究人员开发的理论模型展示了这些原子如何被“预编程”以修改光学矢量涡旋的形状。当这样的光穿过准备好的原子介质时，原子会以高度结构化的方式响应，继承光的空间模式，形成强吸收区域和几乎透明的区域。这就在光与物质之间建立了一种反馈机制：光塑造原子的响应，原子的响应又重塑光。光束在传播过程中发生变换，从简单的环形强度分布演变成花瓣状图案，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在演变。

该研究将预编程原子定位为操控光的强大工具，对量子计算和高密度数据传输具有潜在影响。此前，以这种方式控制结构光需要复杂且昂贵的外部磁场设备，限制了系统的集成。该方法完全采用光学手段，通过利用光本身来“编程”原子，消除了对磁场的需求，提供了一种更灵活、可扩展的方式来控制光-物质相互作用，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确的光学传感器奠定了基础。

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