导读
近日，上海理工大学詹其文教授团队基于时空光场傍轴波动方程和量子力学无势场下薛定谔方程的相似性，借助开发的时空光场调控装置，在实验上实现了一类具有球谐对称的三维时空波包。球谐对称时空光场具有两个可控“量子数”l和m，其中l决定了光场形状分布，m决定了空间涡旋拓扑荷的大小。球谐对称时空光场可望应用于光学量子模拟，粒子操控等领域。相关研究成果以 “Spatiotemporal Photonic Emulator of Potential-free Schrödinger Equation” 为题发表于eLight（入选两期卓越计划）。
四十年前，费曼提出了一个开创性观点：复杂量子系统的运行规律可以通过另一种更简单、更易实现的系统进行模拟。这催生了所谓的"量子模拟器"——其利用原子、囚禁离子乃至核磁共振等系统中的物理或化学过程，来模拟量子力学中的物理行为。光学量子模拟器是指利用光学手段去模拟复杂量子系统里的行为。实现光学量子模拟器的一条路径是基于光学傍轴波动方程和量子力学薛定谔方程的相似性，利用光场调控的手段模拟量子行为。近年来，随着对时空结构光场的认识和操控工具的发展，利用时空结构光实现量子模拟成为了可能。
为了实现具有球谐对称的时空结构光场，本文提出了一种全新的设计三维时空结构光场的方法如图1（a）所示，对于具有空间旋转对称性的结构光场，可以通过反向保角变换的方法得到二维的时空光场，通过时空全息的方法生成二维时空光场，再利用保角变换得到球谐对称时空光场。图1（b）展示了反向传播的二维时空光场的实验结果以及通过保角变换得到的球谐对称时空局域光场。
图1：利用反向保角变换和时空全息生成球谐对称时空局域光场
由于球谐对称时空光场是无势场下薛定谔方程的解，所以球谐对称时空光场是一种局域的、传播不变的时空结构光。为验证这一特点，研究团队研究了球谐对称时空光场在负色散介质下的传播演化如图2（a）所示，经过4倍衍射距离后（1Ldiff=231 mm），时空光场中心主瓣光场仍旧保持不变。除此之外，研究人员还研究了球谐对称时空光场在受到干扰后的稳定情况如图2（b）所示，利用光纤（直径为250 μm）遮挡结构光场，证实该时空光场在障碍物后的自恢复特性。
图2：球谐对称时空局域光场的传播不变特性和自恢复特性研究
总结与展望
本研究通过研究具有球谐函数对称性的时空局域波包，展示了一类新型光子量子模拟器。作为傍轴方程的本征态解，这类球谐局域波包与无势场薛定谔方程的本征态解具有相同的分布特性。实验中，我们采用时空全息整形与保角变换技术实现了波包的制备，并通过验证其不变性与自恢复特性，实验证实了波包的局域化特性。
保角变换与时空全息技术的运用，为构建具有三维特征的时空光场开辟了新路径，使得生成复杂时空光场成为可能。除在光镊、光通信等领域的潜在应用外，这类球谐局域波包更可作为新型光子量子模拟平台，用于研究本征态波函数行为、模拟光与物质相互作用，并在量子光学领域实现应用拓展。（来源：中国光学微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-025-00096-8
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