本發(fā)明涉及一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的產生技術。

背景技術：

量子糾纏是微觀領域一種典型的非經(jīng)典效應，在量子信息學領域具有重要的應用價值。例如基于量子糾纏的量子通信技術被譽為絕對安全無法被竊聽的通信技術。目前較為成熟的量子糾纏產生方案為以光學手段制備光子兩個正交偏振態(tài)的糾纏。這種二維量子態(tài)的糾纏只適用于二進制編碼信息學。如果可以制備產生高維量子態(tài)的糾纏將極大的拓寬量子糾纏的應用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了拓寬量子糾纏的應用范圍，從而提供一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生裝置及方法。

本發(fā)明所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生裝置，包括激光器、bbo晶體、第一軌道角動量調制系統(tǒng)和第二軌道角動量調制系統(tǒng)；

激光器出射的脈沖激光入射至bbo晶體，bbo晶體出射的偏振態(tài)糾纏光子對中的一個光子入射至第一軌道角動量調制系統(tǒng)，另一個光子入射至第二軌道角動量調制系統(tǒng)，第一軌道角動量調制系統(tǒng)出射的光子和第二軌道角動量調制系統(tǒng)出射的光子軌道角動量本征態(tài)糾纏。

優(yōu)選的是，所述第一軌道角動量調制系統(tǒng)包括第一偏振分光棱鏡、第一反射鏡，第一空間光調制器、第二空間光調制器、第二反射鏡、第二偏振分光棱鏡和第一偏振片；

所述一個光子入射至第一偏振分光棱鏡；若該光子的偏振方向為豎直方向，則第一偏振分光棱鏡將該光子反射至第一空間光調制器，經(jīng)第一空間光調制器透射的光子入射至第二反射鏡，第二反射鏡將光子反射至第二偏振分光棱鏡；若該光子的偏振方向為水平方向，則第一偏振分光棱鏡將該光子透射至第二空間光調制器，經(jīng)第二空間光調制器透射的光子入射第二偏振分光棱鏡；第二偏振分光棱鏡將入射的偏振方向為豎直方向的光和偏振方向為水平方向的光進行合束，并透射至第一偏振片。

優(yōu)選的是，所述第二軌道角動量調制系統(tǒng)包括第三偏振分光棱鏡、第三反射鏡、第三空間光調制器、第四空間光調制器、第四反射鏡、第四偏振分光棱鏡和第二偏振片；

所述另一個光子入射至第三偏振分光棱鏡；若該光子的偏振方向為豎直方向，則第三偏振分光棱鏡將該光子反射至第三空間光調制器，經(jīng)第三空間光調制器透射的光子入射至第四反射鏡，第四反射鏡將光子反射至第四偏振分光棱鏡；若該光子的偏振方向為水平方向，則第三偏振分光棱鏡將該光子透射至第四空間光調制器，經(jīng)第四空間光調制器透射的光子入射第四偏振分光棱鏡；第四偏振分光棱鏡將入射的偏振方向為豎直方向的光和偏振方向為水平方向的光進行合束，并透射至第二偏振片。

優(yōu)選的是，第一空間光調制器與第三空間光調制器所加載的調制圖案相同，第二空間光調制器與第四空間光調制器所加載的調制圖案相同，且異于第一空間光調制器與第三空間光調制器所加載的調制圖案。

優(yōu)選的是，第一偏振片和第二偏振片的透振方向相同，均為對角線方向。

本發(fā)明的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、激光器出射的脈沖激光入射至bbo晶體，產生偏振態(tài)糾纏光子對；

步驟二、bbo晶體出射的偏振態(tài)糾纏光子對中的一個光子入射至第一軌道角動量調制系統(tǒng)；bbo晶體出射的偏振態(tài)糾纏光子對中的另一個光子入射至第二軌道角動量調制系統(tǒng)，第一軌道角動量調制系統(tǒng)出射的光子和第二軌道角動量調制系統(tǒng)出射的光子軌道角動量本征態(tài)糾纏。

本發(fā)明利用光子軌道角動量本征態(tài)產生糾纏。光子具有無窮多個軌道角動量本征態(tài)，而該裝置及方法理論上可以任意選取不同軌道角動量本征態(tài)組合產生糾纏。通過將光子偏振態(tài)的糾纏轉換為軌道角動量本征態(tài)的糾纏，本發(fā)明可以在最多600個軌道角動量本征態(tài)中選取任意兩個產生糾纏。這對量子信息學領域具有重要意義，例如可以提高量子通信過程中信道的使用效率。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生裝置的結構示意圖；

圖2是具體實施方式一中的光子獲得10量子數(shù)的軌道角動量時空間光調制器所加載的調制圖案；

圖3是具體實施方式一中的光子獲得100量子數(shù)的軌道角動量時空間光調制器所加載的調制圖案；

圖4是具體實施方式一中的光子獲得300量子數(shù)的軌道角動量時空間光調制器所加載的調制圖案。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1至圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生裝置，包括激光器1、bbo晶體(偏硼酸鋇晶體)2、第一軌道角動量調制系統(tǒng)17和第二軌道角動量調制系統(tǒng)18；

激光器1出射的連續(xù)的脈沖激光入射至bbo晶體2引發(fā)參量下轉換過程，產生偏振態(tài)糾纏光子對，bbo晶體2出射的偏振態(tài)糾纏光子對中的一個光子入射至第一軌道角動量調制系統(tǒng)17，調制后獲得軌道角動量并抹去原有偏振信息，另一個光子入射至第二軌道角動量調制系統(tǒng)18，調制后獲得軌道角動量并抹去原有偏振信息，第一軌道角動量調制系統(tǒng)17出射的光子和第二軌道角動量調制系統(tǒng)18出射的光子軌道角動量本征態(tài)糾纏。

第一軌道角動量調制系統(tǒng)17包括第一偏振分光棱鏡3、第一反射鏡4，第一空間光調制器5、第二空間光調制器6、第二反射鏡7、第二偏振分光棱鏡8和第一偏振片9；

本實施方式中，所述一個光子入射至第一偏振分光棱鏡3；進入第一偏振調制系統(tǒng)17的光子經(jīng)第一偏振分光棱鏡3分光后可能進入順時針方向的水平偏振光路或逆時針方向的豎直偏振光路。進入豎直偏振光路的光子依次經(jīng)過第一空間光調制器5及第二反射鏡7而獲得軌道角動量。進入水平偏振光路的光子依次經(jīng)過反射鏡4及第二空間光調制器6而獲得軌道角動量。經(jīng)兩光路傳播的光子依次經(jīng)過第二偏振分光棱鏡8及第一偏振片9進行混合及干涉后抹去偏振及路徑信息。

本實施方式中，進入第二偏振調制系統(tǒng)18的光子經(jīng)第三偏振分光棱鏡10分光可能進入順時針方向的豎直偏振光路或逆時針方向的水平偏振光路。進入豎直偏振光路的光子依次經(jīng)過第三空間光調制器12及第四反射鏡14而獲得軌道角動量。進入水平偏振光路的光子依次經(jīng)過第三反射鏡11及第四空間光調制器13而獲得軌道角動量。經(jīng)兩光路傳播的光子依次經(jīng)第四偏振分光棱鏡15及第二偏振片16進行混合及干涉后抹去偏振及路徑信息。

為了實現(xiàn)偏振態(tài)糾纏向軌道角動量本征態(tài)糾纏的轉化，本實施方式中，第一空間光調制器5與第三空間光調制器12所加載的調制圖案相同，第二空間光調制器6與第四空間光調制器13所加載的調制圖案相同，且異于第一空間光調制器5與第三空間光調制器12所加載的調制圖案。

本實施方式中，第一偏振片9和第二偏振片16的透振方向相同，均為對角線方向。即與水平方向和豎直方向的夾角均為45°。

采用二極管激光器產生峰值功率為35mw、波長為405nm的藍色連續(xù)激光泵浦ii型bbo晶體引發(fā)參量下轉換過程，每秒可以獲得約一百三十萬對偏振態(tài)糾纏光子對。偏振態(tài)糾纏光子對分別進入第一軌道角動量調制系統(tǒng)17和第二軌道角動量調制系統(tǒng)18獲得軌道角動量。圖2至圖4為作為主要調制器件的第一至第四空間光調制器所加載的調制圖案，圖中，0、π、2π為相位的大小，經(jīng)圖2至圖4所示調制圖案調制后將分別獲得2π的(圖2)10倍、(圖3)100倍、(圖4)300倍方位角相位，分別對應量子數(shù)為10、100及300的軌道角動量。可以看到為了使得光子獲得更高的軌道角動量需要加載更復雜的調制圖樣，采用高分辨率(1920×1080，像元尺寸8μm)空間光調制器最高可以讓入射光子獲得300量子數(shù)的軌道角動量。

利用本實施方式的裝置可以制備產生高維量子態(tài)糾纏光子對。相比現(xiàn)有二維量子態(tài)的糾纏光子對，高維量子態(tài)糾纏光子對可以拓寬量子糾纏在量子信息學領域的應用范圍，提高量子通信技術的信道使用效率。

具體實施方式二：基于具體實施方式一所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生裝置的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生方法，本實施方式中，一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏產生方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、激光器1出射的脈沖激光入射至bbo晶體2，產生偏振態(tài)糾纏光子對；

偏振態(tài)糾纏光子對的波函數(shù)|ψin>為偏振自由度及軌道角動量自由度各自波函數(shù)的直積，表達式為：

其中α,β及為實數(shù)且滿足歸一化條件α²+β²＝1，α和β分別為|ψin>向|h>|v>及|v>|h>投影的復振幅，為相對相位，|h>,|v>分別為水平及豎直偏振態(tài)波函數(shù)，|0>代表軌道角動量本征態(tài)波函數(shù)，數(shù)字0代表軌道角動量量子數(shù)為0。

步驟二、bbo晶體2出射的偏振態(tài)糾纏光子對中的一個光子入射至第一軌道角動量調制系統(tǒng)17，獲得軌道角動量并抹去原有偏振信息；bbo晶體2出射的偏振態(tài)糾纏光子對中的另一個光子入射至第二軌道角動量調制系統(tǒng)18，獲得軌道角動量并抹去原有偏振信息，第一軌道角動量調制系統(tǒng)17出射的光子和第二軌道角動量調制系統(tǒng)18出射的光子軌道角動量本征態(tài)糾纏。

根據(jù)公式(1)，獲得的具有軌道角動量的光子對波函數(shù)|ψout>為

其中d代表第一偏振片9和第二偏振片16的透振方向，|d>代表經(jīng)過第一軌道角動量調制系統(tǒng)17及第二軌道角動量調制系統(tǒng)18調制的光子偏振自由度波函數(shù)，l及k為軌道角動量量子數(shù)，|l〉,|k>代表經(jīng)過第一軌道角動量調制系統(tǒng)17及第二軌道角動量調制系統(tǒng)18調制后的光子軌道角動量自由度波函數(shù)。

步驟二中獲得具有軌道角動量的光子的具體過程為：

進入第一干涉式軌道角動量調制系統(tǒng)17的光子若偏振方向沿豎直方向，則經(jīng)過第一偏振分光棱鏡3后將進入逆時針光路由第一空間光調制器5調制，第一空間光調制器5的調制圖案被編程為使得入射光子具有+l的軌道角動量。進入第一軌道角動量調制系統(tǒng)17的光子若偏振方向沿水平方向，則經(jīng)過第一偏振分光棱鏡3后將進入順時針光路由第二空間光調制器6調制，第二空間光調制器6的調制圖案被編程為使得入射光子具有+k的軌道角動量。無論是經(jīng)順時針光路傳播的光子還是逆時針光路傳播的光子，都經(jīng)第二偏振分光棱鏡8后入射透振方向沿對角線方向(d)的第一偏振片9抹去原有偏振信息，兩路光的光子在第一偏振片9處發(fā)生干涉。

進入第二軌道角動量調制系統(tǒng)18的光子若偏振方向沿豎直方向，則經(jīng)過第三偏振分光棱鏡10后將進入順時針光路由第三空間光調制器12調制，第三空間光調制器12的調制圖案被編程為使得入射光子具有+l的軌道角動量。進入第二軌道角動量調制系統(tǒng)18的光子若偏振方向沿水平方向，則經(jīng)過第三偏振分光棱鏡10后將進入逆時針光路由第四空間光調制器13調制，第四空間光調制器13的調制圖案被編程為使得入射光子具有+k的軌道角動量。無論是經(jīng)順時針光路傳播的光子還是逆時針光路傳播的光子，都經(jīng)第四偏振分光棱鏡15后入射透振方向沿對角線方向(d)的第二偏振片16抹去原有偏振信息，兩路光的光子在第一偏振片9處發(fā)生干涉。

波函數(shù)為(1)式的偏振態(tài)糾纏光子對經(jīng)過第一及第二軌道角動量調制系統(tǒng)的調制后，波函數(shù)變?yōu)楣?2)。公式(2)為軌道角動量本征態(tài)糾纏波函數(shù)，公式中，軌道角動量自由度波函數(shù)無法寫為兩個光子各自軌道角動量自由度波函數(shù)的直積，因而兩光子處于軌道角動量本征態(tài)糾纏。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應該理解的是，可以通過不同于原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。