科研成果 | 关联光学取得系列进展

历史上存在两类具有里程碑意义的双光子效应，即量子纠缠源中的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）关联和热光源中的Hanbury-Brown-Twiss（HBT）关联，它们在量子光学的建立和量子信息技术与量子成像的发展等方面具有重要的作用，因而长期以来一直吸引着物理学界的广泛关注。通常要实现EPR关联需要非线性光学中自发参量下转换（SPDC）过程，但该过程产生EPR双光子对的效率极低，这势必影响EPR纠缠态的应用。为了破解这一难题，近期北京师范大学物理与天文学院熊俊教授、汪凯戈教授与北京师范大学文理学院叶志远博士团队在《Optica》、《Lasers & Photonics Reviews》、《Photonics Research》等国际光学期刊上发表系列研究论文，首次提出了多自由度全息热光模型，并揭示了类EPR型与HBT型两类空间关联的存在[1]。

研究表明，全息热光不仅在拓扑结构上与非线性光学中SPDC所产生的荧光光场的环形分布高度相似（见图1），其空间关联属性及成像规律也与平面波泵浦下的量子纠缠光源基本一致，即关联特性由近场的（角）位置正关联演变为远场的（轨道角）动量反关联，且在扣除热光固有背景后会违背EPR不等式。这些研究不仅在物理上揭示了全息热光中的空间-光谱-偏振等多自由度关联机制与多重散射中的光学涡旋记忆效应，还将光学关联应用于自适应光学成像与光衍射计算等领域。

全息热光不仅在线性光学框架下制备，且可以覆盖从紫外到红外的宽带光谱关联与典型的II型偏振关联[2]。上述进展填补了量子—经典对应和非线性—线性对应中的关键空缺，为在单光子量级下适用的量子光学应用构建了全新的、高亮度的经典演示平台。基于此，诸多被视为量子专属的新奇现象与应用得以找到真正的经典类比，包括三相关联（triple correlation）[3]、空间Extra-bunching效应[4]，以及偏振关联全息术和无导星的关联自适应光学成像[5]（相关研究得到了美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）的报道[6]，并被评选为当期的Feature Article和封面文章）。此外，该研究团队在强度关联的背景下提出涡旋记忆效应[7]，并实现了基于光学关联与元解码器的衍射计算架构[8]。上述研究进展的第一完成单位均为北京师范大学，得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究等多个项目的资助。

图1 宽带I型全息热光与II全息热光的示意图

论文信息：

[1] Ye Z, Hou W, Ding C X, Men X J, He R J, Zhao J, Wang H B, Xiong J*, & Wang K*, Random Holography: Generating EPR-Like Correlation with Thermal Photons. Laser & Photonics Reviews 19, 2401610 (2025). 链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401610 [中科院1区Top]

[2] Ye Z#, Hou W#, He R J#, Cui Y#, Liu H C, Wang H B, Xiong J*, and Wang K*, All-purpose spatial correlations in holographic thermal light, Optica 13, 566-576 (2026). 链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.586022 [中科院1区Top]

[3] Hou W, He R J, Ye Z*, Men X J, Ding C X, Liu H C, Wang H B, & Xiong, J*, Manipulating classical triple correlations for optical information processing and metrology. Photonics Research 13, 2073-2087 (2025). 链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.559681 [中科院1区Top]

[4] Ding C X#, He R J#, Ye Z*, Men X J, Hou W, Cui Y, Liu H C, Wang H B, & Xiong, J*, Spatial extra-bunching effect in classical light. Physical Review A 112, 033503 (2025). 链接：https://doi.org/10.1103/2r44-md7c [中科院2区]

[5] He R J, Ye Z*, Liu H C, Wang H B, & Xiong J*, Label-free correlation adaptive optics using even-symmetrical thermal light. APL Photonics 10, 126106 (2025, Feature article和封面文章). 链接：https://doi.org/10.1063/5.0283659 [中科院2区]

[6] Thompson, A. Correlation adaptive optics enables label-free imaging through distortion. Scilight 491109 (2025). 链接：https://doi.org/10.1063/10.0041817 [Scilight创办于2017年6月，每年从AIP旗下30多个刊物中仅挑选300余篇物理领域内最值得关注的研究成果进行报道]

[7] Ye Z, Ding C X, Zhao J, Hou W, Men X J, Cui Y, Liu H C, Wang H B, and Xiong J*, Vortex memory effect of light for scattering-assisted massive data transmission, Optica 12, 281-295 (2025). 链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.544908 [中科院1区Top]

[8] Zhao J#, Zhang J#, Ye Z*, Liu H C, Wang H B, & Xiong J*, Ghost Classification Using Meta‐Decoders and Optical‐Electronic Correlations. Laser & Photonics Reviews 20, e02943 (2026). 链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202502943 [中科院1区Top]