固态高次谐波产生中的非级联随机游走

为何微小光步至关重要

随机游走——由机会驱动的一步一步的旅程——是从股票市场模型到分子在一杯水中漫游等现象的核心。在量子世界中，光子的类似行走可以成为新型计算和超快信息处理的基础。但常见的让光子执行这些行走的光学器件通常体积庞大，由许多级联元件构成，很难缩小到芯片上。本文展示了一条截然不同的路径：利用一种晶体，将单个特制激光脉冲瞬间转换为同时发生的多重“步”，并将这些步编码在其发射光的扭曲图样中。

从掷币到光之路径

经典随机游走设想一个行者掷硬币决定向左或向右迈步，随时间逐渐扩散。量子行走则用可以处于叠加态的量子态取代硬币和行者，从而产生更广泛且更复杂的扩散图样。在光子学中，“硬币”常对应光的偏振，而“位置”可以是光束的方向或空间结构。作者在此基础上使用一种称为轨道角动量的光属性（与螺旋或环状波前有关）作为行者移动的一维线。光的偏振则扮演决定每一步方向的“硬币”角色。

一次完成所有步的晶体

研究团队没有把光送过由许多分束器组成的长网络逐步实现多步，而是在单个晶体内利用固态高次谐波产生。强烈且经特殊结构处理的激光束进入晶体时，电子被驱动做超快回路并发射出原始频率的倍数光——即谐波。每一阶谐波对应于在一次突发吸收中特定数量的入射光子。因为这些吸收事件可以涉及不同的偏振和轨道角动量组合，生成的谐波光束自然编码出行者在一次、两次、三次或更多步后可能到达的位置。关键在于：所有这些步都在同一微观材料片段中同时发生。

塑形光以编程行走

为发起行走，研究者首先用简单的光学片制备入射束，使其偏振与轨道角动量精确纠缠。该光束包含四类基本光子，在线偏（左旋或右旋偏振）和扭曲程度（轨道角动量为+1或−1）上有所不同。当这些光子在缺乏反演对称性的α-石英晶体中被吸收时，与晶体三重旋转对称相关的选择定则决定了哪些组合被允许。结果是一系列谐波光束——二阶、三阶、四阶等——每一阶都有独特的环状强度分布和偏振纹理。通过用偏振滤波器和相位整形器分析这些图样，团队重建出行者在每个有效步上如何在多个轨道角动量态间扩散。

一种新的概率景观

在轨道角动量空间中最终位置的分布，与普通的经典游走和标准量子游走均显著不同。经典游走往往呈现平滑的钟形轮廓，而量子游走通常更尖锐或分裂并显示“扩散”特征。相比之下，高次谐波行走展现出诸如平顶概率分布和加宽且高度调制的图案等结构。这些特征源于一种微妙的相互作用：晶体中多光子的多种吸收方式（经典计数效应）与晶体对称性施加的量子选择定则相结合。此外，通过加入第二颜色的驱动光或调整其偏振，作者在理论上展示了能偏好某些路径、以可编程方式使行走产生偏斜的方法。

迈向微小、超快的光基计算

用通俗的话来说，这项工作将单个晶体变成了一个自成一体的游乐场，光可以同时探索多种可能路径，其扭曲图样代表线上的位置。因为行走的所有步是在频谱中一并生成，而不是在空间中逐步完成，该装置避免了长光学电路的复杂性和脆弱性。仅需几块标准光学片和一块适当结构化的晶体，这一方法指向了可以在飞秒速度运行高维随机游走算法的紧凑稳固芯片。由此，它在强光与物质相互作用的物理学与新兴的固态量子与经典信息处理方案之间架起了一道桥梁。

引用: Zuo, Z., Wang, Y., Pan, S. et al. Non-cascade random walks in solid-state high harmonic generation. Nat Commun 17, 2912 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69668-7

关键词: 量子行走, 高次谐波产生, 轨道角动量, 光子信息处理, 固态光学