本發(fā)明涉及量子通信技術。

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。一個合格糾纏態(tài)的制備是保證類似應用正常工作的前提，這就需要一種可以對糾纏進行有效探測及檢驗的方法?；诠庾榆壍澜莿恿勘菊鲬B(tài)的糾纏是目前應用潛力極大的一類糾纏，因為光子軌道角動量本征態(tài)構(gòu)成無窮多維希爾伯特空間，可以承載的信息量極大，而對于這類糾纏的探測及檢驗則變得至關重要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了滿足光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測需求，從而提供一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測裝置及方法。

本發(fā)明所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測裝置，包括第一旋轉(zhuǎn)電機、第一遮擋板、第二旋轉(zhuǎn)電機、第二遮擋板、第一凸透鏡、第二凸透鏡、第一桶探測器、第二桶探測器和符合計數(shù)器；

待測光子對中的一個光子入射至第一遮擋板，另一個光子入射至第二遮擋板，第一旋轉(zhuǎn)電機控制第一遮擋板的旋轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)電機控制第二遮擋板的旋轉(zhuǎn)，由第一遮擋板出射的光子經(jīng)第一凸透鏡聚焦到第一桶探測器，由第二遮擋板出射的光子經(jīng)第二凸透鏡聚焦到第二桶探測器，符合計數(shù)器用于對第一桶探測器及第二桶探測器在同一個光脈沖周期內(nèi)同時探測到光子的次數(shù)進行計數(shù)。

優(yōu)選的是，所述第一遮擋板與第二遮擋板的結(jié)構(gòu)相同，均為圓形黑紙板，紙板周向均勻分布著2l條相同長度的狹縫，狹縫的軸向為紙板的徑向，狹縫延伸至紙板邊緣。

優(yōu)選的是，所述圓形黑紙板的直徑為20mm，狹縫的長度為5mm。

本發(fā)明所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：第一旋轉(zhuǎn)電機控制第一遮擋板保持不動，第二旋轉(zhuǎn)電機控制第二遮擋板以固定角度間隔步進，每步進一次統(tǒng)計m分鐘內(nèi)的符合計數(shù)次數(shù)，繪制符合計數(shù)次數(shù)隨第二遮擋板旋轉(zhuǎn)角度γ2變化曲線，計算該曲線可見度m為正數(shù)；

步驟二：第二旋轉(zhuǎn)電機控制第二遮擋板保持不動，第一旋轉(zhuǎn)電機控制第一遮擋板以固定角度間隔步進，每步進一次統(tǒng)計m分鐘內(nèi)的符合計數(shù)次數(shù)，繪制符合計數(shù)次數(shù)隨第一遮擋板旋轉(zhuǎn)角度γ1變化曲線，計算該曲線可見度

步驟三：根據(jù)公式(2)計算糾纏判據(jù)w，當w大于可分離態(tài)所能達到的最大值時，則判定待測光子對軌道角動量本征態(tài)糾纏；

優(yōu)選的是，所述步驟一中計算符合計數(shù)次數(shù)隨第二遮擋板旋轉(zhuǎn)角度γ2變化曲線的曲線可見度的方法為：

其中，和分別為符合計數(shù)次數(shù)隨第二遮擋板旋轉(zhuǎn)角度γ2變化曲線的峰值和谷值。

所述步驟二中計算符合計數(shù)次數(shù)隨第一遮擋板旋轉(zhuǎn)角度γ1變化曲線的曲線可見度的方法為：

其中，和分別為符合計數(shù)次數(shù)隨第一遮擋板旋轉(zhuǎn)角度γ1變化曲線的峰值和谷值。

優(yōu)選的是，所述可分離態(tài)所能達到的最大值為當w大于該值時，則判定待測光子對軌道角動量本征態(tài)糾纏。

本發(fā)明可以對具有特定形式波函數(shù)的光子軌道角動量本征態(tài)糾纏進行探測及驗證，所選取的糾纏判據(jù)可以通過符合計數(shù)率曲線的可見度求得，當該糾纏判據(jù)數(shù)值超過可分離態(tài)所能達到的最大值時，即可證明被測信號為糾纏態(tài)。本發(fā)明的實驗裝置及數(shù)據(jù)處理方法簡單。

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)糾纏的探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是具體實施方式六中的符合計數(shù)次數(shù)隨遮擋板旋轉(zhuǎn)角度變化曲線圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1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)糾纏的探測裝置，包括第一旋轉(zhuǎn)電機1、第一遮擋板2、第二旋轉(zhuǎn)電機3、第二遮擋板4、第一凸透鏡5、第二凸透鏡6、第一桶探測器7、第二桶探測器8和符合計數(shù)器9；

待測光子對中的一個光子入射至第一遮擋板2，另一個光子入射至第二遮擋板4，由第一遮擋板2出射的光子經(jīng)第一凸透鏡5聚焦到第一桶探測器7，第一旋轉(zhuǎn)電機1控制第一遮擋板2的旋轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)電機3控制第二遮擋板4的旋轉(zhuǎn)，由第二遮擋板4出射的光子經(jīng)第二凸透鏡6聚焦到第二桶探測器8，符合計數(shù)器9用于對第一桶探測器7及第二桶探測器8在同一個光脈沖周期內(nèi)同時探測到光子的次數(shù)進行計數(shù)。

第一桶探測器7和第二桶探測器8，接收到光子后會向符合計數(shù)器9輸送電脈沖，當符合計數(shù)器9同一個光脈沖周期內(nèi)同時接收到了分別由第一桶探測器7及第二桶探測器8傳來的電脈沖則視為一次符合計數(shù)。

待測光子對為空間上分離的兩個光子，兩個光子分別攜帶拓撲核數(shù)為l和-l的軌道角動量，l的大小已知，若兩光子處于可分離態(tài)，則其波函數(shù)為：

若兩光子波函數(shù)無法寫為(1)式的形式，則它們是糾纏的，其中|a|²+|b|²＝1，|c|²+|d|²＝1，和均為原始波函數(shù)可分離態(tài)展開式的相位參量。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測裝置作進一步說明，本實施方式中，第一遮擋板2與第二遮擋板4的結(jié)構(gòu)相同，均為圓形黑紙板，紙板周向均勻分布著2l條相同長度的狹縫，狹縫的軸向為紙板的徑向，狹縫延伸至紙板邊緣。

狹縫的條數(shù)由待測光子所攜帶的拓撲核數(shù)l決定，狹縫的條數(shù)為光子所攜帶的拓撲核數(shù)的2倍。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式二所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測裝置作進一步說明，本實施方式中，所述圓形黑紙板的直徑為20mm，狹縫的長度為5mm。

待測光子能通過遮擋板的概率隨著遮擋板的旋轉(zhuǎn)角度成周期性變化。

具體實施方式四：基于具體實施方式三所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測裝置的探測方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：第一旋轉(zhuǎn)電機1控制第一遮擋板2保持不動，第二旋轉(zhuǎn)電機3控制第二遮擋板4以固定角度間隔步進，每步進一次統(tǒng)計m分鐘內(nèi)的符合計數(shù)次數(shù)，繪制符合計數(shù)次數(shù)隨第二遮擋板4旋轉(zhuǎn)角度γ2變化曲線，計算該曲線可見度m為正數(shù)；

步驟二：第二旋轉(zhuǎn)電機3控制第二遮擋板4保持不動，第一旋轉(zhuǎn)電機1控制第一遮擋板2以固定角度間隔步進，每步進一次統(tǒng)計m分鐘內(nèi)的符合計數(shù)次數(shù)，繪制符合計數(shù)次數(shù)隨第一遮擋板2旋轉(zhuǎn)角度γ1變化曲線，計算該曲線可見度

步驟三：根據(jù)公式(2)計算糾纏判據(jù)w，當w大于可分離態(tài)所能達到的最大值時，則判定待測光子對軌道角動量本征態(tài)糾纏；

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式四所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測方法作進一步說明，本實施方式中，步驟一中計算符合計數(shù)次數(shù)隨第二遮擋板4旋轉(zhuǎn)角度γ2變化曲線的曲線可見度的方法為：

其中，和分別為符合計數(shù)次數(shù)隨第二遮擋板4旋轉(zhuǎn)角度γ2變化曲線的峰值和谷值。

所述步驟二中計算符合計數(shù)次數(shù)隨第一遮擋板2旋轉(zhuǎn)角度γ1變化曲線的曲線可見度的方法為：

其中，和分別為符合計數(shù)次數(shù)隨第一遮擋板2旋轉(zhuǎn)角度γ1變化曲線的峰值和谷值。

具體實施方式六：結(jié)合圖2具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式四所述的一種光子軌道角動量本征態(tài)糾纏的探測方法作進一步說明，本實施方式中，所述可分離態(tài)所能達到的最大值為當w大于該值時，則判定待測光子對軌道角動量本征態(tài)糾纏。

對于波函數(shù)形式為(1)式的兩光子，糾纏判據(jù)w大小為

當時，w取到最大值當實際探測得w大于該值，則可判定待測光子對軌道角動量本征態(tài)糾纏。

采用本發(fā)明的裝置對波函數(shù)為的光子對進行探測。第一遮擋板2和第二遮擋板4由激光切割黑紙板制成，狹縫數(shù)量為20，每個狹縫寬度1mm，長度5mm。第一凸透鏡5、第二凸透鏡6的焦距均為1000mm。m取值為10，所測得的符合計數(shù)次數(shù)隨遮擋板旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線如圖2所示。圖中曲線1、2、3、4分別為固定γ1角度為0°、0.45°、0.9°、1.35°，然后以0.225°的步長增大γ2所測得的曲線?？梢钥吹剑嫌嫈?shù)次數(shù)僅與γ1、γ2之差有關，說明所測光子對明顯得非線性關聯(lián)。由曲線計算獲得則糾纏判據(jù)w＝1.55>1.21?？梢耘卸ù郎y光子對光子軌道角動量本征態(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(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(jié)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(jié)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。