[發(fā)明專利]偏振?軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410823098.0
• 申請日: 2014-12-25
• 公開（公告）號: CN104466655B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭邦紅;郭建軍;張程賢;范榕華;張文杰
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01S3/13
• 分類號: H01S3/13;G02B6/27
• 代理公司: 廣州圣理華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司44302
• 代理人: 頓海舟,陳業(yè)勝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于量子信息與光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以穩(wěn)定地產(chǎn)生高純度偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

量子糾纏是指物理上可分離的多子系量子系統(tǒng)之間的非局域關(guān)聯(lián)，也就是對一個子系統(tǒng)的測量結(jié)果無法獨立于其它子系統(tǒng)的測量參數(shù)。量子糾纏構(gòu)成了現(xiàn)代量子信息技術(shù)中不可或缺的重要資源和信息載體。廣義的糾纏不僅在于多光子之間，還存在于同一個光子的不同自由度之間。近年來單光子糾纏態(tài)在設(shè)計量子信息處理器件中具有潛在的應(yīng)用。例如，單光子的雙量子糾纏比特已應(yīng)用于確定性密碼方案。Barreiro小組基于單光子自旋-軌道糾纏態(tài)的分析，打破了線性超密集編碼的傳統(tǒng)極限。另外，基于物理特性的糾纏態(tài)的光子源，在量子信息的各方面，如量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子計算等都起著重要作用。構(gòu)成糾纏的粒子可以有很多種，如原子，離子等，但由于光子獨特的傳輸特性，糾纏光子更適合于傳輸量子信息。

光子間有多種自由度的糾纏例如偏振、頻率、動量和位置、還有光場的正交振幅和位相分量等。這些豐富的自由度的研究更多地認識了量子物理的本質(zhì)，也為量子信息技術(shù)的編碼和解碼提供了方便。

1992年，荷蘭萊頓大學的Allen團隊從理論上證明光子中含有確定的軌道角動量之后，光子的軌道角動量開始成為光學領(lǐng)域的一個研究熱點。利用相位、偏振、頻率等量子態(tài)來編碼，只能實現(xiàn)一個量子比特(qubit)編碼；而軌道角動量的量子數(shù)l在理論上允許取任意整數(shù)，因此以光子軌道角動量作為信息的載體來編碼信息，能夠大大增加傳輸?shù)男畔⑷萘浚藗兛梢詫崿F(xiàn)一個高維的希爾伯特空間中高維量子態(tài)(qudits)編碼，且具有更高的保密性，這為單光子的多比特量子通信的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

目前，具有光子軌道角動量的光子源產(chǎn)生方法主要有：a、模式轉(zhuǎn)換器法：由兩個柱面透鏡構(gòu)成，包括π相位轉(zhuǎn)換器和π/2相位轉(zhuǎn)換器，由高階厄米-高斯模獲得拉蓋爾-高斯模，該方法轉(zhuǎn)換效率高，但同時對光學器件的加工精度要求也高，并且不易靈活控制軌道角動量光束的種類和參數(shù)。b、螺旋相位片法：采用螺旋波帶板或全息光學轉(zhuǎn)換板將高斯光束變換為拉蓋爾高斯光束，在這里螺旋波帶板或全息光學轉(zhuǎn)換板需要特殊加工，且光束經(jīng)過這些光學元件變換損耗也較大。c、計算全息法：計算機全息相位片在有一束高斯光入射時，衍射第一級將產(chǎn)生具有軌道角動量的拉蓋爾-高斯光束。如果將全息技術(shù)和空間光調(diào)制器相關(guān)技術(shù)結(jié)合，會產(chǎn)生可編程化的衍射光柵，這種方法可以比較方便地調(diào)控任意軌道角動量態(tài)，可是存在很嚴格的約束條件，而且隨光束階數(shù)升高所得光束就會嚴重變形。

單光子水平的軌道角動量態(tài)光束成為人們研究的重要方向，然而上述方法均無法有效的獲得單光子水平的軌道角動量態(tài)及軌道角動量糾纏態(tài)，意大利羅馬大學的Eleonora Nagali等人發(fā)現(xiàn)，利用液晶制作的一種非均勻各向異性的Q-plate可以巧妙的實現(xiàn)偏振態(tài)向軌道角動量的轉(zhuǎn)化，從而在實驗上實現(xiàn)了偏振-軌道角動量雙光子混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生。利用偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)，可以構(gòu)建一個更高維的希爾伯特空間，實現(xiàn)高維量子態(tài)(qudits)編碼，這在量子信息領(lǐng)域，如量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子計算等都起著重要作用，不僅可以增加量子信道的編解碼能力還可以提高信息的安全性。然而，Q-plate在實際應(yīng)用中還存在一些問題。例如，由于器件材料性能的制約，光束在經(jīng)過Q-plate的作用后，偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)和偏振態(tài)兩種不同性質(zhì)的量子態(tài)同時存在，從而獲得的量子混合糾纏態(tài)的純度很低。如果使用這種純度不高的糾纏態(tài)進行量子通信和量子計算將會導致信息失真，誤碼率變大。要想充分利用偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)的高維量子糾纏特性，達到可信穩(wěn)定的量子通信、量子計算，需要改進現(xiàn)有攜帶軌道角動量的光子源產(chǎn)生方法，采用混合糾纏態(tài)提純技術(shù)獲得高純度糾纏態(tài)。因此，提出新型光子源獲得高純度的量子糾纏態(tài)是量子信息研究中的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于為了解決以上的不足，提供了一種偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)可穩(wěn)定地產(chǎn)生高純度偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子，降低了系統(tǒng)成本。

為了實現(xiàn)本發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是：