[發(fā)明專利]一種單光子雙自由度糾纏產(chǎn)生與測量實驗裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011037515.0
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112051676A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周志遠(yuǎn);毛昉;李銀海
• 申請（專利權(quán)）人: 青島鯤騰量子應(yīng)用技術(shù)有限公司
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02F1/35;G02F1/355
• 代理公司: 合肥和瑞知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

本發(fā)明涉及量子信息及通信領(lǐng)域，具體是涉及一種單光子雙自由度糾纏產(chǎn)生與測量實驗裝置。裝置包括沿光路方向依次設(shè)置的關(guān)聯(lián)光子源模塊和糾纏態(tài)制備模塊；關(guān)聯(lián)光子源模塊，用于生成自旋單光子束；糾纏態(tài)制備模塊，用于將自旋單光子束生成自旋軌道角動量糾纏態(tài)的單光子束，自旋軌道角動量糾纏態(tài)即雙自由度糾纏。本發(fā)明通過單光子的自旋和軌道角動量建立信息載體，能夠構(gòu)建無限維希爾伯特空間，而不局限于二維希爾伯特空間，使得單光子的自旋和軌道角動量相互配合，可承載無窮個比特信息，以此提高了量子通信的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子信息及通信領(lǐng)域，具體是涉及一種單光子雙自由度糾纏產(chǎn)生與測量實驗裝置。

背景技術(shù)

量子糾纏作為量子物理世界中的獨特資源,它的出現(xiàn)改變了我們信息處理的方式。在量子通信相關(guān)領(lǐng)域，通常將兩個光子的偏振自由度作為信息載體以體現(xiàn)量子糾纏，但偏振自由度只在二維希爾伯特空間實現(xiàn)對量子的編碼，因此限制了量子通信的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種單光子雙自由度糾纏產(chǎn)生與測量實驗裝置，通過引入光子軌道角動量，單個光子就可以作為信息載體，以此提高了量子通信的應(yīng)用領(lǐng)域。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種單光子雙自由度糾纏產(chǎn)生與測量實驗裝置，裝置包括沿光路方向依次設(shè)置的關(guān)聯(lián)光子源模塊和糾纏態(tài)制備模塊；

所述關(guān)聯(lián)光子源模塊，用于生成自旋單光子束；

所述糾纏態(tài)制備模塊，用于將自旋單光子束生成自旋軌道角動量糾纏態(tài)的單光子束，自旋軌道角動量糾纏態(tài)即雙自由度糾纏。

進(jìn)一步，所述糾纏態(tài)制備模塊包括沿關(guān)聯(lián)光子源模塊生成的自旋單光子束的光路方向依次設(shè)置的第二調(diào)制單元、軌道角動量單元；

所述第二調(diào)制單元，用于調(diào)整關(guān)聯(lián)光子源模塊生成的自旋單光子束的相位和光強；

所述軌道角動量單元，用于將第二調(diào)制單元射出的自旋單光子束生成自旋軌道角動量糾纏態(tài)的單光子束。

進(jìn)一步，所述第二調(diào)制單元包括沿光路方向依次設(shè)置的第二四分之一波片、第二半波片和第三偏振分束器。

進(jìn)一步，裝置還包括量子態(tài)層析模塊，所述量子態(tài)層析模塊包括沿糾纏態(tài)制備模塊生成的自旋軌道角動量糾纏態(tài)的單光子束的光路方向依次設(shè)置的第三透鏡、第四四分之一波片、第三半波片、第四偏振分束器、第四透鏡、空間光相位調(diào)制器；所述空間光相位調(diào)制器，用于和已知軌道角動量的橫向相位圖相互配合以獲知糾纏態(tài)制備模塊制備出的自旋軌道角動量單光子束的軌道角動量；

所述第三透鏡和第四透鏡的焦距相等，所述第三透鏡和第四透鏡沿光路方向的間距為兩倍的該焦距；所述第三透鏡和軌道角動量單元沿光路方向的間距為一倍的該焦距；所述空間光相位調(diào)制器與第四透鏡沿光路方向的間距為一倍的焦距。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述量子態(tài)層析模塊還包括第五透鏡和第六透鏡；所述空間光相位調(diào)制器與糾纏態(tài)制備模塊制備出的自旋軌道角動量單光子束的光路方向之間設(shè)置有夾角，用于使空間光相位調(diào)制器對自旋軌道角動量單光子束的反射方向偏離入射方向，所述第五透鏡和第六透鏡沿反射方向依次設(shè)置；

所述第五透鏡的焦距和第六透鏡的焦距相等，且等于第三透鏡的焦距和第四透鏡的焦距，第五透鏡和第六透鏡沿反射方向的間距為兩倍的該焦距，空間光相位調(diào)制器和第五透鏡沿反射方向的間距為一倍的該焦距；

所述關(guān)聯(lián)光子源模塊生成的自旋單光子束包括兩組自旋單光子束，兩組自旋單光子束構(gòu)成關(guān)聯(lián)光子束，其中一組射入至糾纏態(tài)制備模塊；該裝置還包括光子探測模塊，另一組自旋單光子束射入至光子探測模塊；所述光子探測模塊，用于獲取量子態(tài)層析模塊經(jīng)第六透鏡射出的自旋單光子束與關(guān)聯(lián)光子源模塊生成的另一組自旋單光子束構(gòu)成的關(guān)聯(lián)光子對。