本發(fā)明涉及一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏的產(chǎn)生技術(shù)。

背景技術(shù)：

量子糾纏是微觀領(lǐng)域一種典型的非經(jīng)典效應(yīng)，在量子信息學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如基于量子糾纏的量子通信技術(shù)被譽(yù)為絕對(duì)安全無(wú)法被竊聽(tīng)的通信技術(shù)。目前較為成熟的量子糾纏產(chǎn)生方案為以光學(xué)手段制備光子兩個(gè)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(jìn)制編碼信息學(xué)。如果可以制備產(chǎn)生高維量子態(tài)的糾纏將極大的拓寬量子糾纏的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明所述的一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)生裝置，包括激光器、bbo晶體、第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)和第二軌道角動(dòng)量調(diào)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(duì)中的一個(gè)光子入射至第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)，另一個(gè)光子入射至第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)，第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)出射的光子和第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)出射的光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏。

優(yōu)選的是，所述第一軌道角動(dòng)量調(diào)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(diào)制器、第二空間光調(diào)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(gè)光子入射至第一偏振分光棱鏡；若該光子的偏振方向?yàn)樨Q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(diào)制器，經(jīng)第一空間光調(diào)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?yàn)樗椒较?，則第一偏振分光棱鏡將該光子透射至第二空間光調(diào)制器，經(jīng)第二空間光調(diào)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?yàn)樨Q直方向的光和偏振方向?yàn)樗椒较虻墓膺M(jìn)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(dòng)量調(diào)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(diào)制器、第四空間光調(diào)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(gè)光子入射至第三偏振分光棱鏡；若該光子的偏振方向?yàn)樨Q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(diào)制器，經(jīng)第三空間光調(diào)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?yàn)樗椒较?，則第三偏振分光棱鏡將該光子透射至第四空間光調(diào)制器，經(jīng)第四空間光調(diào)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?yàn)樨Q直方向的光和偏振方向?yàn)樗椒较虻墓膺M(jìn)行合束，并透射至第二偏振片。

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

本發(fā)明的一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)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(chǎn)生偏振態(tài)糾纏光子對(duì)；

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

本發(fā)明利用光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)產(chǎn)生糾纏。光子具有無(wú)窮多個(gè)軌道角動(dòng)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(dòng)量本征態(tài)組合產(chǎn)生糾纏。通過(guò)將光子偏振態(tài)的糾纏轉(zhuǎn)換為軌道角動(dòng)量本征態(tài)的糾纏，本發(fā)明可以在最多600個(gè)軌道角動(dòng)量本征態(tài)中選取任意兩個(gè)產(chǎn)生糾纏。這對(duì)量子信息學(xué)領(lǐng)域具有重要意義，例如可以提高量子通信過(guò)程中信道的使用效率。

附圖說(shuō)明

圖1是具體實(shí)施方式一所述的一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

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

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

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

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖4具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)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(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17和第二軌道角動(dòng)量調(diào)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(zhuǎn)換過(guò)程，產(chǎn)生偏振態(tài)糾纏光子對(duì)，bbo晶體2出射的偏振態(tài)糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子入射至第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17，調(diào)制后獲得軌道角動(dòng)量并抹去原有偏振信息，另一個(gè)光子入射至第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18，調(diào)制后獲得軌道角動(dòng)量并抹去原有偏振信息，第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17出射的光子和第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18出射的光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏。

第一軌道角動(dòng)量調(diào)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(diào)制器5、第二空間光調(diào)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(shí)施方式中，所述一個(gè)光子入射至第一偏振分光棱鏡3；進(jìn)入第一偏振調(diào)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(jìn)入順時(shí)針?lè)较虻乃狡窆饴坊蚰鏁r(shí)針?lè)较虻呢Q直偏振光路。進(jìn)入豎直偏振光路的光子依次經(jīng)過(guò)第一空間光調(diào)制器5及第二反射鏡7而獲得軌道角動(dòng)量。進(jìn)入水平偏振光路的光子依次經(jīng)過(guò)反射鏡4及第二空間光調(diào)制器6而獲得軌道角動(dòng)量。經(jīng)兩光路傳播的光子依次經(jīng)過(guò)第二偏振分光棱鏡8及第一偏振片9進(jìn)行混合及干涉后抹去偏振及路徑信息。

本實(shí)施方式中，進(jìn)入第二偏振調(diào)制系統(tǒng)18的光子經(jīng)第三偏振分光棱鏡10分光可能進(jìn)入順時(shí)針?lè)较虻呢Q直偏振光路或逆時(shí)針?lè)较虻乃狡窆饴?。進(jìn)入豎直偏振光路的光子依次經(jīng)過(guò)第三空間光調(diào)制器12及第四反射鏡14而獲得軌道角動(dòng)量。進(jìn)入水平偏振光路的光子依次經(jīng)過(guò)第三反射鏡11及第四空間光調(diào)制器13而獲得軌道角動(dòng)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(jìn)行混合及干涉后抹去偏振及路徑信息。

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

本實(shí)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(duì)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(chǎn)生峰值功率為35mw、波長(zhǎng)為405nm的藍(lán)色連續(xù)激光泵浦ii型bbo晶體引發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，每秒可以獲得約一百三十萬(wàn)對(duì)偏振態(tài)糾纏光子對(duì)。偏振態(tài)糾纏光子對(duì)分別進(jìn)入第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17和第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18獲得軌道角動(dòng)量。圖2至圖4為作為主要調(diào)制器件的第一至第四空間光調(diào)制器所加載的調(diào)制圖案，圖中，0、π、2π為相位的大小，經(jīng)圖2至圖4所示調(diào)制圖案調(diào)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(duì)應(yīng)量子數(shù)為10、100及300的軌道角動(dòng)量。可以看到為了使得光子獲得更高的軌道角動(dòng)量需要加載更復(fù)雜的調(diào)制圖樣，采用高分辨率(1920×1080，像元尺寸8μm)空間光調(diào)制器最高可以讓入射光子獲得300量子數(shù)的軌道角動(dòng)量。

利用本實(shí)施方式的裝置可以制備產(chǎn)生高維量子態(tài)糾纏光子對(duì)。相比現(xiàn)有二維量子態(tài)的糾纏光子對(duì)，高維量子態(tài)糾纏光子對(duì)可以拓寬量子糾纏在量子信息學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，提高量子通信技術(shù)的信道使用效率。

具體實(shí)施方式二：基于具體實(shí)施方式一所述的一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)生裝置的一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)生方法，本實(shí)施方式中，一種光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏產(chǎn)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(chǎn)生偏振態(tài)糾纏光子對(duì)；

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

其中α,β及為實(shí)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(fù)振幅，為相對(duì)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(dòng)量本征態(tài)波函數(shù)，數(shù)字0代表軌道角動(dòng)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(duì)中的一個(gè)光子入射至第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17，獲得軌道角動(dòng)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(duì)中的另一個(gè)光子入射至第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18，獲得軌道角動(dòng)量并抹去原有偏振信息，第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17出射的光子和第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18出射的光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏。

根據(jù)公式(1)，獲得的具有軌道角動(dòng)量的光子對(duì)波函數(shù)|ψo(hù)ut>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(guò)第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17及第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18調(diào)制的光子偏振自由度波函數(shù)，l及k為軌道角動(dòng)量量子數(shù)，|l〉,|k>代表經(jīng)過(guò)第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17及第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18調(diào)制后的光子軌道角動(dòng)量自由度波函數(shù)。

步驟二中獲得具有軌道角動(dòng)量的光子的具體過(guò)程為：

進(jìn)入第一干涉式軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17的光子若偏振方向沿豎直方向，則經(jīng)過(guò)第一偏振分光棱鏡3后將進(jìn)入逆時(shí)針光路由第一空間光調(diào)制器5調(diào)制，第一空間光調(diào)制器5的調(diào)制圖案被編程為使得入射光子具有+l的軌道角動(dòng)量。進(jìn)入第一軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)17的光子若偏振方向沿水平方向，則經(jīng)過(guò)第一偏振分光棱鏡3后將進(jìn)入順時(shí)針光路由第二空間光調(diào)制器6調(diào)制，第二空間光調(diào)制器6的調(diào)制圖案被編程為使得入射光子具有+k的軌道角動(dòng)量。無(wú)論是經(jīng)順時(shí)針光路傳播的光子還是逆時(shí)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(duì)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(jìn)入第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18的光子若偏振方向沿豎直方向，則經(jīng)過(guò)第三偏振分光棱鏡10后將進(jìn)入順時(shí)針光路由第三空間光調(diào)制器12調(diào)制，第三空間光調(diào)制器12的調(diào)制圖案被編程為使得入射光子具有+l的軌道角動(dòng)量。進(jìn)入第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)18的光子若偏振方向沿水平方向，則經(jīng)過(guò)第三偏振分光棱鏡10后將進(jìn)入逆時(shí)針光路由第四空間光調(diào)制器13調(diào)制，第四空間光調(diào)制器13的調(diào)制圖案被編程為使得入射光子具有+k的軌道角動(dòng)量。無(wú)論是經(jīng)順時(shí)針光路傳播的光子還是逆時(shí)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(duì)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(duì)經(jīng)過(guò)第一及第二軌道角動(dòng)量調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制后，波函數(shù)變?yōu)楣?2)。公式(2)為軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏波函數(shù)，公式中，軌道角動(dòng)量自由度波函數(shù)無(wú)法寫(xiě)為兩個(gè)光子各自軌道角動(dòng)量自由度波函數(shù)的直積，因而兩光子處于軌道角動(dòng)量本征態(tài)糾纏。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)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(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

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