一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)由單光子源、自旋-軌道角動量轉化單元、自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元和反饋補償單元組成。自旋-軌道角動量轉化單元采用偏振分束器、偏振控制器和Q-plate相位板獲得自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子；所述分離單元通過兩個分束器，兩個全反射鏡和兩個達夫棱鏡實現未轉化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子的分離；反饋補償單元采用兩個全反射鏡和偏振控制器將未發(fā)生轉化的水平偏振光反饋傳輸至自旋-軌道角動量轉化單元進一步實現轉化。本發(fā)明實現了高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的高效轉化，降低了系統(tǒng)成本和通信誤碼率，增強了系統(tǒng)的安全性。
【專利說明】-種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光通信與量子信息領域，具體涉及一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài) 的產生系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 早在1909年人們就意識到，光子可以攜帶自旋角動量，自旋角動量與光子的圓偏 振態(tài)相關，左旋圓偏振態(tài)|L>和右旋圓偏振態(tài)|R>作為自旋角動量算符的本征態(tài)，分別攜帶 有、-A的自旋角動量，因此，利用光子的自旋角動量可以構建一個二維希爾伯特空間，并 將信息編碼在這個二維空間中。然而直到1992年，荷蘭萊頓大學的Allen團隊才從理論上 首次證明光子可以攜帶另一種形式的角動量一光子軌道角動量，研究表明，每個單光子中 含有確定的軌道角動量彷，其中1為軌道角動量的特征量子數，可以取任意整數，1值不同時 代表不同的軌道角動量階數，由于不同階數的軌道角動量之間彼此相互正交，因此利用光 子軌道角動量作為信息的載體可以將信息編碼在一個高維希爾伯特空間中。研究也發(fā)現， 攜帶軌道角動量的光束不僅具有獨特的動力學特性和軌道角動量拓撲結構，而且還具有特 殊的螺旋型波前結構和光場相位奇點，這在量子信息協議及自由空間光通信領域具有重要 研究價值。之后，光子的軌道角動量開始成為光學領域的一個研究熱點。因此，人們致力于 研究各種產生具有軌道角動量光束的方法。
[0003]目前，軌道角動量的產生主要有以下幾種方法：a、模式轉換器法：由兩個柱面透 鏡構成，包括n相位轉換器和n/2相位轉換器，由高階厄米-高斯模獲得拉蓋爾-高斯 模，該方法轉換效率高，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。b、螺旋相位片法：采用螺旋波帶板或全息光學轉換板將高斯光束 變換為拉蓋爾高斯光束，在這里螺旋波帶板或全息光學轉換板需要特殊加工，且光束經過 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， 衍射第一級將產生具有軌道角動量頂的拉蓋爾-高斯光束。如果將全息技術和空間光調制 器相關技術結合，會產生可編程化的衍射光柵，這種方法可以比較方便地調控任意軌道角 動量態(tài)，可是存在很嚴格的約束條件，而且隨光束階數升高所得光束就會嚴重變形。
[0004] 基于上述產生軌道角動量光束的方法還存在一些不足，這是因為，在量子信息協 議中，量子態(tài)及量子糾纏態(tài)是整個量子信息的核心和精髓，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)，極大限制了其在量子信息協議當中的潛 在應用。因此，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。最近，意大利那 不勒斯大學的Marrucci等人發(fā)現，利用液晶制作的一種非均勻各向異性的Q-plate可以 巧妙的實現自旋角動量向軌道角動量的轉化，產生同一個光子的自旋-軌道角動量混合糾 纏態(tài)。利用自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)，可以構建一個更高維的希爾伯特空間，實現高 維量子態(tài)（qudits)編碼，這在量子信息領域，如量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分配、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在實際應用中也還存在一些問題。一方面，由于器件材料性能的制約，其混合糾纏 態(tài)轉化效率還不是很高，另一方面，光束在經過Q-plate的作用后，自旋-軌道角動量混合 糾纏態(tài)和自旋角動量兩種不同性質的角動量態(tài)同時存在，要想充分利用自旋-軌道角動量 混合糾纏態(tài)的高維量子糾纏特性，必須想辦法使二者分離，以獲得高純度的自旋-軌道角 動量混合糾纏態(tài)。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于為了解決以上的不足，提供了一種自旋-軌道角動量混合糾纏 態(tài)的產生系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現了高純度自旋_軌道角動量混合糾纏態(tài)的高效轉化，降低了系 統(tǒng)成本。
[0006] 為了實現本發(fā)明目的所采取的技術方案是：一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的 產生系統(tǒng)，包括單光子源、自旋-軌道角動量轉化單元、自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離 單元和反饋補償單元；所述單光子源用于產生水平偏振單光子；所述自旋-軌道角動量轉 化單元用于實現光子自旋角動量到軌道角動量的轉化，獲得自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài) 光子；所述自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元用于對未發(fā)生轉化的水平偏振單光子和 自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子進行分離；所述反饋補償單元用于將分離出的未發(fā)生轉 化的水平偏振單光子反饋傳輸至所述自旋-軌道角動量轉化單元。
[0007] 進一步地，所述單光子源包括激光器和衰減器，主要用于產生系統(tǒng)所需要的水平 偏振單光子。
[0008] 進一步地，所述自旋-軌道角動量轉化單元包括依次連接的偏振分束器、偏振控 制器和Q-plate相位板；所述偏振分束器用于將偏振方向不同的光分開；所述偏振控制器 用于將所有通過的偏振單光子調控輸出為水平偏振單光子；所述Q-plate相位板用于將偏 振控制器輸出的水平偏振單光子轉化為自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子。
[0009] 進一步地，所述Q-plate相位板為Pancharatnam-Berry相位板，其由單軸雙折射 向列液晶材料制成。
[0010] 進一步地，所述自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元包括第一分束器，所述第 一分束器將通過其的光束分為第一光束和第二光束；所述第一光束所在路徑上依次設有第 一達夫棱鏡和第一全反射鏡；所述第二光束所在路徑上依次設有第二全反射鏡和第二達夫 棱鏡；所述第一光束和第二光束的交匯處設有第二分束器。
[0011] 進一步地，所述第一達夫棱鏡和第二達夫棱鏡相對設置，且在空間上具有夾角。
[0012] 進一步地，所述反饋補償單元包括依次設置的第三全反射鏡、偏振控制器和第四 全反射鏡；所述未發(fā)生轉化的水平偏振單光子經過第二分束器后依次通過所述第三全反射 鏡、偏振控制器和第四反射鏡，所述偏振控制器用于將所有通過的偏振光調控輸出為垂直 偏振光。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生方法，包括以下步驟：
[0014] (1)水平偏振單光子的產生：使用單光子源產生水平偏振單光子；
[0015] (2)自旋-軌道角動量轉化：水平偏振單光子進入自旋-軌道角動量轉化單元，水 平偏振單光子依次經過偏振分束器和偏振控制器，偏振控制器將所有通過它的偏振光調控 為水平偏振光，然后水平偏振光經過Q-plate相位板被轉化為自旋-軌道角動量混合糾纏 態(tài)光子；
[0016] (3)自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離：經步驟⑵轉化得到的光子進入自旋-軌 道角動量混合糾纏態(tài)分離單元，將所述光子中的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子和未發(fā) 生轉化的水平偏振單光子進行分離；
[0017] (4)未發(fā)生轉化的水平偏振單光子的反饋補償：分離出來的未發(fā)生轉化的水平偏 振單光子進入反饋補償單元，反饋補償單元中的偏振控制器將水平偏振單光子調控為垂直 偏振單光子，然后垂直偏振單光子進入偏振分束器，重復步驟（2)和（3)，進一步轉化產生 自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子。
[0018] 進一步地，在步驟（3)中，所述自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元中的第一 分束器將通過其的光束分為第一光束和第二光束；所述第一光束所在路徑上依次設有第一 達夫棱鏡和第一全反射鏡，所述第二光束所在路徑上依次設有第二全反射鏡和第二達夫棱 鏡；
[0019] 第一光束在第一達夫棱鏡作用下產生相位差，然后經過第一全反射鏡，光束的傳 播方向改變90度；第二光束經第二全反射鏡反射，光束傳播方向改變90度后到達第二達夫 棱鏡，產生相位差；含有相位差的第一光束和第二光束經過第二分束器后，其中的自旋-軌 道角動量混合糾纏態(tài)光子直接輸出，未發(fā)生轉化的水平偏振單光子進入反饋補償單元。
[0020] 進一步地，在步驟（4)中，未發(fā)生轉化的水平偏振單光子首先經過第三全反射鏡， 將光束傳播方向改變90度后進入所述偏振控制器，偏振控制器輸出的垂直偏振方向的光 子再經過第四全反射鏡，光束傳播方向改變90度后進入偏振分束器。
[0021] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0022] 1、本發(fā)明的產生系統(tǒng)結構簡單，使用方便，通過利用Q-plate的轉化作用、達夫棱 鏡的分離特性并結合反饋補償方式，實現了高純度自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的高效轉 化，獲得高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子；該系統(tǒng)實現了單光子源光束的循環(huán) 利用，降低了系統(tǒng)成本，提高了產生效率，使自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的高維量子糾纏 特性得以充分利用；
[0023] 2、本發(fā)明中用單光子脈沖及量子混合糾纏態(tài)，提高了通信碼率并降低了誤碼率， 增強了系統(tǒng)的安全性；
[0024] 3、本發(fā)明中用軌道角動量，可以攜帶更多的信息，可以實現高維量子態(tài)編碼；
[0025] 4、本發(fā)明能夠產生高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)，使用這種高純度混合 糾纏態(tài)進行量子通信和量子計算誤碼率低，而且受實驗條件限制和不可避免的環(huán)境噪聲的 影響很小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)產生系統(tǒng)的結構示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)產生方法的流程圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明中的Q-plate的轉化原理示意圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明中自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元的結構示意圖；
[0030] 圖5為圖4分離單元的等效圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明的自旋-軌道角動量轉化單元中的偏振控制器的示意圖；
[0032] 圖7為本發(fā)明的反饋補償單元中的偏振控制器的示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 以下結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步說明：
[0034] 參照附圖1至附圖7所示，一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括單光子源10、自旋-軌道角動量轉化單元11、自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元 12和反饋補償單元13。
[0035] 所述單光子源10包括激光器和衰減器，用于產生系統(tǒng)所需要的水平偏振單光子， 作為系統(tǒng)的輸入信號。所述自旋-軌道角動量轉化單元11與單光子源10連接，用于實現 光子自旋角動量到軌道角動量的轉化，從而獲得自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子。所述 自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元12與自旋_軌道角動量轉化單元11連接，用于實 現對未轉化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子的分離。所述反饋補償 單元13分別與自旋-軌道角動量轉化單元11和自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元12 連接，用于實現將未發(fā)生轉化的水平偏振光反饋傳輸回自旋_軌道角動量轉化單元11，將 未發(fā)生轉化的水平偏振光進行再轉化。
[0036] 其中自旋-軌道角動量轉化單元11包括依次連接的偏振分束器110、偏振控制器 111和Q-plate相位板112。所述偏振分束器110用于將不同偏振方向的光分開。偏振控 制器111用來對偏振光進行調控，將所有通過偏振分束器110的偏振光都調控輸出為水平 偏振光。所述Q-plate(QP) 112是一種新型Pancharatnam-Berry相位板，由單軸雙折射向 列液晶材料制作而成，QP是模擬一種特殊情況下的介質環(huán)境，該介質是不均勻的而且是各 向異性的，在該介質中光和液晶相互作用，根據單軸液晶的相位原理和雙折射特性，液晶只 起到一個中間媒介的角色。利用QP可以實現自旋光束向軌道角動量光束的轉化，并且該輸 入自旋控制著軌道角動量的波前螺旋性。
[0037] 其中自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元12包括第一分束器120,其分束比為 50 :50,用于將一束光分成兩束光，以形成第一光束路徑和第二光束路徑，第一光束路徑上 依次設有第一達夫棱鏡121和第一全反射鏡122,第二光束路徑上依次設有第二全反射鏡 123和第二達夫棱鏡124,所述第一光束路徑的末端和第二光束路徑的末端交匯處設有第 二分束器125,其分束比為50:50。所述全反射鏡122、123用于反射光束，以改變光束的傳輸 路徑。參照附圖5所不，當第一達夫棱鏡和第二達夫棱鏡的相對角度為a時，達夫棱鏡的 作用等效于在其中第一光束路徑上加入旋轉角為2a的光束旋轉器（BeamRotator，BR)， 從而使含有相位項exp(ilct)的光束在兩條光束路徑上產生相應的相位差，并在第二分束 器125處發(fā)生相消干涉。經過第二分束器125后得到的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子 從系統(tǒng)輸出端輸出，而未發(fā)生轉化的水平偏振光子在第二分束器125處發(fā)生相增干涉，經 過第二分束器125后則進入反饋補償單元13中實現再轉化。
[0038] 其中反饋補償單元13包括第三全反射鏡130、偏振控制器131和第四全反射鏡 132。所述偏振控制器131位于全反射鏡130和132之間。所述全反射鏡130U32用于反 射光束，以改變光束的傳輸路徑。所述偏振控制器131用于對經第三全反射器130反射過 來的輸入偏振光進行調控，將所有通過的偏振光都調控輸出為垂直偏振光。
[0039] 本發(fā)明產生系統(tǒng)的具體工作原理如下：該系統(tǒng)中單光子源10產生水平偏振單光 子|H>，每個水平偏振單光子|H>透射過偏振分束器110,進入自旋-軌道角動量轉化單 元11，光子進入偏振控制器111，如附圖6所示，偏振控制器111將所有通過它的偏振光都 調控為水平偏振光輸出，經過偏振控制器111的調控，再入射到Q-plate相位板112。參 照附圖3所示，Q-plate相位板在極坐標系中，光軸取向分布表示為：
【權利要求】
1. 一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，包括單光子源、自 旋-軌道角動量轉化單元、自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元和反饋補償單元； 所述單光子源用于產生水平偏振單光子；所述自旋-軌道角動量轉化單元用于實現光 子自旋角動量到軌道角動量的轉化，獲得自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子；所述自旋-軌 道角動量混合糾纏態(tài)分離單元用于對未發(fā)生轉化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動量 混合糾纏態(tài)光子進行分離；所述反饋補償單元用于將分離出的未發(fā)生轉化的水平偏振單光 子反饋傳輸至所述自旋-軌道角動量轉化單元。
2. 根據權利要求1所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，所述 單光子源包括激光器和衰減器。
3. 根據權利要求1所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，所述 自旋-軌道角動量轉化單元包括依次連接的偏振分束器、偏振控制器和Q-plate相位板； 所述偏振分束器用于將偏振方向不同的光分開；所述偏振控制器用于將所有通過的偏 振單光子調控輸出為水平偏振單光子；所述Q-plate相位板用于將偏振控制器輸出的水平 偏振單光子轉化為自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子。
4. 根據權利要求3所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，所述 Q-plate相位板為Pancharatnam-Berry相位板，其由單軸雙折射向列液晶材料制成。
5. 根據權利要求1所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，所述 自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元包括第一分束器，所述第一分束器將通過其的光束 分為第一光束和第二光束；所述第一光束所在路徑上依次設有第一達夫棱鏡和第一全反射 鏡；所述第二光束所在路徑上依次設有第二全反射鏡和第二達夫棱鏡；所述第一光束和第 二光束的交匯處設有第二分束器。
6. 根據權利要求5所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，所述 第一達夫棱鏡和第二達夫棱鏡相對設置，且在空間上具有夾角。
7. 根據權利要求5所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生系統(tǒng)，其特征在于，所述 反饋補償單元包括依次設置的第三全反射鏡、偏振控制器和第四全反射鏡；所述未發(fā)生轉 化的水平偏振單光子經過第二分束器后依次通過所述第三全反射鏡、偏振控制器和第四全 反射鏡，所述偏振控制器用于將所有通過的偏振光調控輸出為垂直偏振光。
8. -種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： (1) 水平偏振單光子的產生：使用單光子源產生水平偏振單光子； (2) 自旋-軌道角動量轉化：所述水平偏振單光子進入自旋-軌道角動量轉化單元，水 平偏振單光子依次經過偏振分束器和偏振控制器，偏振控制器將所有通過它的偏振光調控 為水平偏振光，然后水平偏振光經過Q-plate相位板被轉化為自旋-軌道角動量混合糾纏 態(tài)光子； (3) 自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離：經步驟（2)轉化得到的光子進入自旋-軌道 角動量混合糾纏態(tài)分離單元，將所述光子中的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子和未發(fā)生 轉化的水平偏振單光子進行分離； (4) 未發(fā)生轉化的水平偏振單光子的反饋補償：分離出來的未轉化的水平偏振單光子 進入反饋補償單元，反饋補償單元中的偏振控制器將水平偏振單光子調控為垂直偏振單光 子，然后垂直偏振單光子進入偏振分束器，重復步驟（2)和（3)，進一步轉化產生自旋-軌道 角動量混合糾纏態(tài)光子。
9. 根據權利要求8所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生方法，其特征在于，所述 步驟（3)中，所述自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元中的第一分束器將通過其的光束 分為第一光束和第二光束；所述第一光束所在路徑上依次設有第一達夫棱鏡和第一全反射 鏡，所述第二光束所在路徑上依次設有第二全反射鏡和第二達夫棱鏡； 第一光束在第一達夫棱鏡作用下產生相位差，然后經過第一全反射鏡，光束的傳播方 向改變90度；第二光束經第二全反射鏡反射，光束傳播方向改變90度后到達第二達夫棱 鏡，產生相位差；含有相位差的第一光束和第二光束經過第二分束器，其中的自旋_軌道角 動量混合糾纏態(tài)光子直接輸出，未發(fā)生轉化的水平偏振單光子進入反饋補償單元。
10. 根據權利要求9所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產生方法，其特征在于，所 述步驟（4)中，未發(fā)生轉化的水平偏振單光子首先經過第三全反射鏡，將光束傳播方向改 變90度后進入所述偏振控制器，偏振控制器輸出的垂直偏振方向的光子再經過第四全反 射鏡，光束傳播方向改變90度后進入偏振分束器。
【文檔編號】H04B10/70GK104410464SQ201410718234
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】郭邦紅, 郭建軍, 程廣明, 張程賢, 范榕華, 張文杰 申請人:華南師范大學