人类从诞生伊始就不停地对世界进行探索。在生产力落后的远古时代，人们探索的目的主要是为了更好的生存，而到了生产力相对发达的现代，推动人类不停探索的则是对未知的强烈好奇。按照科学家的说法，我们此时此刻生活着的空间，其实并没有想象中那么简单，因为它可能具有十一个维度。通常情况下，我们认为当前所处的空间为三维空间，如果算上相对论中提到的时间维度，那么我们其实生活在四维时空中。除此之外，我们对其他维度空间的情况完全可以用一无所知来形容。可能你会说不对啊，一维空间和二维空间我们也很熟悉啊。但你可能没有思考过一个问题，如果一维空间和二维空间真实存在，那么它们内部会是什么样的呢？所以说，你认为的熟悉，其实只是熟悉它们的表象，或者是我们对它们的定义，并不是真正熟悉它们内部详细的情况。想象一下，如若M理论确凿无误，宇宙真的有二维空间的存在，生活在那里的二维生物究竟会长什么样呢？首先我们能够确定的是，如果二维生物也具有眼睛这种器官的话，它们应该长在身体的两边，因为如果它们的眼睛和人类一样长在正面，那么它们将永远看不到彼此，毕竟二维世界只有上下左右而没有前后。它们眼中能够看到什么呢？根据二维世界的概念我们可以很容易地知道，世界在它们眼中仅仅是一条条线段、曲线或圆弧，因为它们的世界并没有厚度（前后空间感）。试想，如果一个原本生活在二维空间中的二维生物，突然来到了我们三维空间中，那这个二维生物眼中所看到的世界，和我们眼中所看到的世界会是一样的吗？答案是：不一样。因为它们的身体构成决定了它们只会有两个维度的视角，所以即便将它们放到有前后概念的三维世界中，它们看到的世界仍然是一条条线段、曲线或圆弧。如果让它们沿着某样东西前后运动，那么它们眼中的世界一定在不停地变换着形状和大小，甚至还会讶异三维世界为什么如此的不稳定。如果我们和它们能够沟通，可能即便告诉它们三维世界的定义，它们也根本理解不了，就像一个连小水哇都没见过的孩子，无论你怎么形容大海的辽阔，他都根本不会理解。为了让这个二维生物能够理解三维世界的基本概念，我们将一个正方体展开，于是在这个二维生物的世界中出现了6个正方形。由于没有空间的概念，二维生物并不能一次看完6个正方体，我们需要带着它将六个正方行走一遍。走完之后它得出了一个结论：三维世界是由六个正方形组成的。显而易见，它对三维世界的认知是完全错误的。这个参观过三维世界的二维生物最终回到了自己的世界，结合了之前的所见和所感，它最终成为了二维世界中第一个探索三维空间的科学家。当二维空间在某些情况下出现弯曲皱褶时，二维空间中的科学家提出了引力的概念，同时对场有了初步的认识。虽然它们并未亲身感受过三维空间，但它们总能通过一些时不时出现的奇异现象，推测出三维空间真实的情况和特性。它们认为三维世界中的生物个个都有超凡的力量，能够轻易地改变世界的结构。所以它们都很期盼有一天能够亲身体会三维空间的奇异。但它们肯定想象不到，即便真的进入了三维空间，由于身体构造的原因，它们也根本无法看清三维世界的真正样子。看完了一个二维生物可能的思维模式和眼中看到的世界，我们不妨来思考下四维空间究竟是什么样的，以及如果那里有生物存在，它们究竟是什么样的存在。我们都知道6个二维正方形图案能够组合成一个三维空间立方体，那么8个三维空间的正方体，是不是能够在四维空间组成一个四维体呢？可以想象一下，如果有一个四维体的房子，这个房子一共有8个房间（对应8个正方体）。当你走进任意一个房间，都会发现其他七个房间与这个房间相连，那种无法形容的颠倒错乱感，肯定会让你对四维空间有着深深的恐惧。就像前面所说的，当二维生物到三维空间，它可能会觉得整个世界杂乱无章，各种线条相互交错，并且眼前的画面忽大忽小、忽远忽近，似乎在永不停歇的随意变换着。而当我们进入四维世界中，是不是也会和二维生物有一样的感受呢？会不会跟二维生物一样，受限于意识和身体所处的维度，从而无法真正理解和感受四维空间呢？我想答案应该是肯定的。或许当我们真正到达四维空间之后，看到的那些不停变化的东西，就是我们永远也无法理解和窥其全貌的四维生物。 　　近日，山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授、汪丽蓉教授、元晋鹏教授研究团队在高维空间中的高保真频率转换研究方面取得了重要进展。相关研究成果High-fidelity frequency converter in high-dimensional spaces于7月5日发表在Laser & Photonics Reviews期刊上。元晋鹏教授和博士生王学文为论文的共同第一作者，汪丽蓉教授和陈刚教授为论文共同通讯作者，贾锁堂教授和肖连团教授为该工作提供了重要指导。　　结构光场通过扩展和结合光子自由度，不断从空间结构中发展出更多可编码的维度，为通信通道和数据容量的扩展提供了可能性。高维频率转换器作为高容量频率接口的基础，是连接工作在不同频域的各种物理系统的关键。随着多维度信息编码的发展，对高保真度的不断追求受到了自由度固有基本性质的限制，特别是非线性过程对振幅和偏振的依赖性，对于可靠地执行信息传输至关重要。因此，在不同频段之间转换高维光场，同时完整地保留其特征仍然是一个瓶颈。完美庞加莱光束结合了自旋角动量和轨道角动量，实现了空间振幅、空间相位和空间偏振自由度的信息编码，同时利用其横向结构不变性构建了模式无关的非线性相互作用，相比于传统庞加莱光束可以有效克服转换过程中的畸变。　　研究团队利用完美庞加莱光束与Sagnac非线性干涉仪，通过铷原子四波混频过程实现了高维空间中的高保真频率转换器，成功将任意庞加莱态从近红外波段转换到蓝紫波段。理论模拟了传统庞加莱光束和完美庞加莱光束的频率转换过程，基于空间斯托克斯测量方法对其保真度进行了定量表征。结果表明，传统庞加莱光束极易在转换过程中发生畸变，特别是对于非对称OAM态，而完美庞加莱光束有效地解决了这个问题。在实验上，利用自稳定的Mach-Zehnder干涉仪和液晶空间光调制器制备了参数精密可控的完美庞加莱光束，与另一束高斯型泵浦光同向传输注入Sagnac非线性干涉仪，通过构建两个正交的四波混频过程实现了任意庞加莱态的频率转换。分别从信号光和输出光中提取出六种偏振分量分析其空间拓扑结构，最终证明对任意庞加莱态的保真度都在99%以上。为了进一步增加系统容量，利用径向自由度实现了双环结构和类晶格结构完美庞加莱光束的模式复用。　　该工作得到了科技部重点研发计划、科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、山西省1331工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。（通讯员：张颖）