CN104410464B - 一种自旋‑轨道角动量混合纠缠态的产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋‑轨道角动量混合纠缠态的产生系统及方法，该系统由单光子源、自旋‑轨道角动量转化单元、自旋‑轨道角动量混合纠缠态分离单元和反馈补偿单元组成。自旋‑轨道角动量转化单元采用偏振分束器、偏振控制器和Q‑plate相位板获得自旋‑轨道角动量混合纠缠态光子；所述分离单元通过两个分束器，两个全反射镜和两个达夫棱镜实现未转化的水平偏振单光子和自旋‑轨道角动量混合纠缠态光子的分离；反馈补偿单元采用两个全反射镜和偏振控制器将未发生转化的水平偏振光反馈传输至自旋‑轨道角动量转化单元进一步实现转化。本发明实现了高纯度的自旋‑轨道角动量混合纠缠态的高效转化，降低了系统成本和通信误码率，增强了系统的安全性。
Description
技术领域
本发明属于光通信与量子信息领域，具体涉及一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统及方法。
背景技术
早在1909年人们就意识到，光子可以携带自旋角动量，自旋角动量与光子的圆偏振态相关，左旋圆偏振态|L＞和右旋圆偏振态|R＞作为自旋角动量算符的本征态，分别携带有+h、-h的自旋角动量，因此，利用光子的自旋角动量可以构建一个二维希尔伯特空间，并将信息编码在这个二维空间中。然而直到1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队才从理论上首次证明光子可以携带另一种形式的角动量—光子轨道角动量，研究表明，每个单光子中含有确定的轨道角动量lh，其中l为轨道角动量的特征量子数，可以取任意整数，l值不同时代表不同的轨道角动量阶数，由于不同阶数的轨道角动量之间彼此相互正交，因此利用光子轨道角动量作为信息的载体可以将信息编码在一个高维希尔伯特空间中。研究也发现，携带轨道角动量的光束不仅具有独特的动力学特性和轨道角动量拓扑结构，而且还具有特殊的螺旋型波前结构和光场相位奇点，这在量子信息协议及自由空间光通信领域具有重要研究价值。之后，光子的轨道角动量开始成为光学领域的一个研究热点。因此，人们致力于研究各种产生具有轨道角动量光束的方法。
目前，轨道角动量的产生主要有以下几种方法：a、模式转换器法：由两个柱面透镜构成，包括π相位转换器和π/2相位转换器，由高阶厄米-高斯模获得拉盖尔-高斯模，该方法转换效率高，但同时对光学器件的加工精度要求也高，并且不易灵活控制轨道角动量光束的种类和参数。b、螺旋相位片法：采用螺旋波带板或全息光学转换板将高斯光束变换为拉盖尔高斯光束，在这里螺旋波带板或全息光学转换板需要特殊加工，且光束经过这些光学元件变换损耗也较大。c、计算全息法：计算机全息相位片在有一束高斯光入射时，衍射第一级将产生具有轨道角动量lh的拉盖尔-高斯光束。如果将全息技术和空间光调制器相关技术结合，会产生可编程化的衍射光栅，这种方法可以比较方便地调控任意轨道角动量态，可是存在很严格的约束条件，而且随光束阶数升高所得光束就会严重变形。
基于上述产生轨道角动量光束的方法还存在一些不足，这是因为，在量子信息协议中，量子态及量子纠缠态是整个量子信息的核心和精髓，而上述方法均无法有效的获得单光子水平的轨道角动量态及轨道角动量纠缠态，极大限制了其在量子信息协议当中的潜在应用。因此，单光子水平的轨道角动量态光束成为人们研究的重要方向。最近，意大利那不勒斯大学的Marrucci等人发现，利用液晶制作的一种非均匀各向异性的Q-plate可以巧妙的实现自旋角动量向轨道角动量的转化，产生同一个光子的自旋-轨道角动量混合纠缠态。利用自旋-轨道角动量混合纠缠态，可以构建一个更高维的希尔伯特空间，实现高维量子态(qudits)编码，这在量子信息领域，如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用，不仅可以增加量子信道的编解码能力还可以提高信息的安全性。然而，Q-plate在实际应用中也还存在一些问题。一方面，由于器件材料性能的制约，其混合纠缠态转化效率还不是很高，另一方面，光束在经过Q-plate的作用后，自旋-轨道角动量混合纠缠态和自旋角动量两种不同性质的角动量态同时存在，要想充分利用自旋-轨道角动量混合纠缠态的高维量子纠缠特性，必须想办法使二者分离，以获得高纯度的自旋-轨道角动量混合纠缠态。
发明内容
本发明的目的在于为了解决以上的不足，提供了一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，该系统实现了高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态的高效转化，降低了系统成本。
为了实现本发明目的所采取的技术方案是：一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，包括单光子源、自旋-轨道角动量转化单元、自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元和反馈补偿单元；所述单光子源用于产生水平偏振单光子；所述自旋-轨道角动量转化单元用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离；所述反馈补偿单元用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化单元。
进一步地，所述单光子源包括激光器和衰减器，主要用于产生系统所需要的水平偏振单光子。
进一步地，所述自旋-轨道角动量转化单元包括依次连接的偏振分束器、第一偏振控制器和Q-plate相位板；所述偏振分束器用于将偏振方向不同的光分开；所述第一偏振控制器用于将所有通过的偏振单光子调控输出为水平偏振单光子；所述Q-plate相位板用于将第一偏振控制器输出的水平偏振单光子转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。
进一步地，所述Q-plate相位板为Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。
进一步地，所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第二光束的交汇处设有第二分束器。
进一步地，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。
进一步地，所述反馈补偿单元包括依次设置的第三全反射镜、第二偏振控制器和第四全反射镜；所述未发生转化的水平偏振单光子经过第二分束器后依次通过所述第三全反射镜、第二偏振控制器和第四反射镜，所述第二偏振控制器用于将所有通过的偏振光调控输出为垂直偏振光。
本发明还提供了一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，包括以下步骤：
(1)水平偏振单光子的产生：使用单光子源产生水平偏振单光子；
(2)自旋-轨道角动量转化：水平偏振单光子进入自旋-轨道角动量转化单元，水平偏振单光子依次经过偏振分束器和第一偏振控制器，第一偏振控制器将所有通过它的偏振光调控为水平偏振光，然后水平偏振光经过Q-plate相位板被转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；
(3)自旋-轨道角动量混合纠缠态分离：经步骤(2)转化得到的光子进入自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元，将所述光子中的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子和未发生转化的水平偏振单光子进行分离；
(4)未发生转化的水平偏振单光子的反馈补偿：分离出来的未发生转化的水平偏振单光子进入反馈补偿单元，反馈补偿单元中的第二偏振控制器将水平偏振单光子调控为垂直偏振单光子，然后垂直偏振单光子进入偏振分束器，重复步骤(2)和(3)，进一步转化产生自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。
进一步地，在步骤(3)中，所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元中的第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜，所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；
第一光束在第一达夫棱镜作用下产生相位差，然后经过第一全反射镜，光束的传播方向改变90度；第二光束经第二全反射镜反射，光束传播方向改变90度后到达第二达夫棱镜，产生相位差；含有相位差的第一光束和第二光束经过第二分束器后，其中的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子直接输出，未发生转化的水平偏振单光子进入反馈补偿单元。
进一步地，在步骤(4)中，未发生转化的水平偏振单光子首先经过第三全反射镜，将光束传播方向改变90度后进入所述第二偏振控制器，第二偏振控制器输出的垂直偏振方向的光子再经过第四全反射镜，光束传播方向改变90度后进入偏振分束器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的产生系统结构简单，使用方便，通过利用Q-plate的转化作用、达夫棱镜的分离特性并结合反馈补偿方式，实现了高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态的高效转化，获得高纯度的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；该系统实现了单光子源光束的循环利用，降低了系统成本，提高了产生效率，使自旋-轨道角动量混合纠缠态的高维量子纠缠特性得以充分利用；
2、本发明中用单光子脉冲及量子混合纠缠态，提高了通信码率并降低了误码率，增强了系统的安全性；
3、本发明中用轨道角动量，可以携带更多的信息，可以实现高维量子态编码；
4、本发明能够产生高纯度的自旋-轨道角动量混合纠缠态，使用这种高纯度混合纠缠态进行量子通信和量子计算误码率低，而且受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响很小。
附图说明
图1为本发明的自旋-轨道角动量混合纠缠态产生系统的结构示意图；
图2为本发明的自旋-轨道角动量混合纠缠态产生方法的流程图；
图3为本发明中的Q-plate的转化原理示意图；
图4为本发明中自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元的结构示意图；
图5为图4分离单元的等效图；
图6为本发明的自旋-轨道角动量转化单元中的第一偏振控制器的示意图；
图7为本发明的反馈补偿单元中的第二偏振控制器的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：
参照附图1至附图7所示，一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，该系统包括单光子源10、自旋-轨道角动量转化单元11、自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元12和反馈补偿单元13。
所述单光子源10包括激光器和衰减器，用于产生系统所需要的水平偏振单光子，作为系统的输入信号。所述自旋-轨道角动量转化单元11与单光子源10连接，用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，从而获得自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元12与自旋-轨道角动量转化单元11连接，用于实现对未转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子的分离。所述反馈补偿单元13分别与自旋-轨道角动量转化单元11和自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元12连接，用于实现将未发生转化的水平偏振光反馈传输回自旋-轨道角动量转化单元11，将未发生转化的水平偏振光进行再转化。
其中自旋-轨道角动量转化单元11包括依次连接的偏振分束器110、第一偏振控制器111和Q-plate相位板112。所述偏振分束器110用于将不同偏振方向的光分开。第一偏振控制器111用来对偏振光进行调控，将所有通过偏振分束器110的偏振光都调控输出为水平偏振光。所述Q-plate(QP)112是一种新型Pancharatnam-Berry相位板，由单轴双折射向列液晶材料制作而成，QP是模拟一种特殊情况下的介质环境，该介质是不均匀的而且是各向异性的，在该介质中光和液晶相互作用，根据单轴液晶的相位原理和双折射特性，液晶只起到一个中间媒介的角色。利用QP可以实现自旋光束向轨道角动量光束的转化，并且该输入自旋控制着轨道角动量的波前螺旋性。
其中自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元12包括第一分束器120，其分束比为50：50，用于将一束光分成两束光，以形成第一光束路径和第二光束路径，第一光束路径上依次设有第一达夫棱镜121和第一全反射镜122，第二光束路径上依次设有第二全反射镜123和第二达夫棱镜124，所述第一光束路径的末端和第二光束路径的末端交汇处设有第二分束器125，其分束比为50:50。所述全反射镜122、123用于反射光束，以改变光束的传输路径。参照附图5所示，当第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的相对角度为α时，达夫棱镜的作用等效于在其中第一光束路径上加入旋转角为2α的光束旋转器(Beam Rotator，BR)，从而使含有相位项exp(ilφ)的光束在两条光束路径上产生相应的相位差，并在第二分束器125处发生相消干涉。经过第二分束器125后得到的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子从系统输出端输出，而未发生转化的水平偏振光子在第二分束器125处发生相增干涉，经过第二分束器125后则进入反馈补偿单元13中实现再转化。
其中反馈补偿单元13包括第三全反射镜130、第二偏振控制器131和第四全反射镜132。所述第二偏振控制器131位于全反射镜130和132之间。所述全反射镜130、132用于反射光束，以改变光束的传输路径。所述第二偏振控制器131用于对经第三全反射器130反射过来的输入偏振光进行调控，将所有通过的偏振光都调控输出为垂直偏振光。
本发明产生系统的具体工作原理如下：该系统中单光子源10产生水平偏振单光子|H>，每个水平偏振单光子|H＞透射过偏振分束器110，进入自旋-轨道角动量转化单元11，光子进入第一偏振控制器111，如附图6所示，第一偏振控制器111将所有通过它的偏振光都调控为水平偏振光输出，经过第一偏振控制器111的调控，再入射到Q-plate相位板112。参照附图3所示，Q-plate相位板在极坐标系中，光轴取向分布表示为：其中，q和α0为两个固定常数，且q＝1/2，α0＝0。在单光子空间中，Q-plate的作用可以用一个量子算符来描述：由于Q-plate的本征态为圆偏振态，将水平偏振态展开为圆偏振态：因此，经过Q-plate作用后，入射的水平偏振光子|H>将转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子量子态形式：另一方面，由于Q-plate本身材料特性，仍有部分透过Q-plate的水平偏振光子|H>未转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态的形式。未转化的水平偏振单光子|H>和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子|ψ>Hybrid通过第一分束器120，进入自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元12。参照附图4和附图5所示，分束器120将到达其上的光子分为两路，所述达夫棱镜121、124分别位于第一光束路径和第二光束路径上，当两个棱镜的相对角度为α时，达夫棱镜121、124的作用等效于在其中一条光束路径上加入旋转角为2α的光束旋转器BR，从而使含有相位项exp(ilφ)的轨道角动量态在两条光束路径上产生δ＝2lα的相位差。
光束旋转器BR对轨道角动量光束的作用原理为：当分离单元输入态为|in>＝|0>|1>，其中，|0>，|1>分别表示真空态和单光子态，则经过光束旋转器后输出态其中取因此携带|l＝1>和|l＝-1>轨道角动量的混合纠缠态光子在分束器125处发生相消干涉，将从分离单元的D2出口输出，此时输出端得到即混合纠缠态；而没有转化的水平偏振光可看作为轨道角动量量子数为0的态光子，即|l＝0>，在分束器125处发生相增干涉将从分离单元的D1出口输出。
经过自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元12后，自旋-轨道角动量混合纠缠态光子|ψ>Hybrid直接从系统的输出端输出，而未转化的水平偏振光子|H>通过第三全反射镜130，进入反馈补偿单元13；未转化的水平偏振单光子|H>进入反馈补偿单元13后，参照附图7所示，第二偏振控制器131将通过它的所有偏振光调控输出为垂直偏振光，即将水平偏振单光子|H>调控为垂直偏振单光子|V>，然后垂直偏振单光子|V>经偏振分束器110再进入自旋-轨道角动量转化单元11，重复上面的步骤，从而完成高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态的高转化率产生。
参照附图2所示，一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，该方法包括以下步骤：
步骤201：使用单光子源产生水平偏振单光子|H>，每个水平偏振单光子|H>透射过偏振分束器，进入自旋-轨道角动量转化单元。
步骤202：水平偏振单光子|H>透射过偏振分束器后，进入第一偏振控制器，第一偏振控制器将所有通过它的偏振光调控为水平偏振光|H>，而后水平偏振光|H>经过Q-plate相位板，将水平偏振单光子|H>转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子|ψ>Hybrid，未转化的水平偏振单光子|H>和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子|ψ>Hybrid通过第一分束器120，进入自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元。
步骤203：未转化的水平偏振单光子|H>和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子|ψ＞Hybrid进入自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元，一方面，使含有相位项的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子|ψ>Hybrid在第一光束路径和第二光束路径上产生相应的相位差，从而通过第二分束器125后直接输出；另一方面，未转化的水平偏振单光子|H>不含相位项，从第二分束器125射出后通过第三全反射镜130，进入反馈补偿单元13。
步骤204：未转化的水平偏振单光子|H>经过反馈补偿单元13后，第二偏振控制器131将水平偏振单光子|H>调控为垂直偏振单光子|V>，然后垂直偏振单光子|V>在第四全反射镜132的作用下到达偏振分束器110，经偏振分束器110进入自旋-轨道角动量转化单元，重复202、203的步骤，从而完成高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生。
本发明实现了高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态的高效转化，降低了系统的成本，大大提高了产生效率。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，包括单光子源、自旋-轨道角动量转化单元、自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元和反馈补偿单元；
所述单光子源用于产生水平偏振单光子；所述自旋-轨道角动量转化单元用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离；所述反馈补偿单元用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化单元。
2.根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述单光子源包括激光器和衰减器。
3.根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述自旋-轨道角动量转化单元包括依次连接的偏振分束器、第一偏振控制器和Q-plate相位板；
所述偏振分束器用于将偏振方向不同的光分开；所述第一偏振控制器用于将所有通过的偏振单光子调控输出为水平偏振单光子；所述Q-plate相位板用于将第一偏振控制器输出的水平偏振单光子转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。
4.根据权利要求3所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述Q-plate相位板为Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。
5.根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第二光束的交汇处设有第二分束器。
6.根据权利要求5所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。
7.根据权利要求5所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述反馈补偿单元包括依次设置的第三全反射镜、第二偏振控制器和第四全反射镜；所述未发生转化的水平偏振单光子经过第二分束器后依次通过所述第三全反射镜、第二偏振控制器和第四全反射镜，所述第二偏振控制器用于将所有通过的偏振光调控输出为垂直偏振光。
8.一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)水平偏振单光子的产生：使用单光子源产生水平偏振单光子；
(2)自旋-轨道角动量转化：所述水平偏振单光子进入自旋-轨道角动量转化单元，水平偏振单光子依次经过偏振分束器和第一偏振控制器，第一偏振控制器将所有通过它的偏振光调控为水平偏振光，然后水平偏振光经过Q-plate相位板被转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；
(3)自旋-轨道角动量混合纠缠态分离：经步骤(2)转化得到的光子进入自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元，将所述光子中的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子和未发生转化的水平偏振单光子进行分离；
(4)未发生转化的水平偏振单光子的反馈补偿：分离出来的未转化的水平偏振单光子进入反馈补偿单元，反馈补偿单元中的第二偏振控制器将水平偏振单光子调控为垂直偏振单光子，然后垂直偏振单光子进入偏振分束器，重复步骤(2)和(3)，进一步转化产生自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。
9.根据权利要求8所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元中的第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜，所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；
第一光束在第一达夫棱镜作用下产生相位差，然后经过第一全反射镜，光束的传播方向改变90度；第二光束经第二全反射镜反射，光束传播方向改变90度后到达第二达夫棱镜，产生相位差；含有相位差的第一光束和第二光束经过第二分束器，其中的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子直接输出，未发生转化的水平偏振单光子进入反馈补偿单元。
10.根据权利要求9所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，其特征在于，所述步骤(4)中，未发生转化的水平偏振单光子首先经过第三全反射镜，将光束传播方向改变90度后进入所述第二偏振控制器，第二偏振控制器输出的垂直偏振方向的光子再经过第四全反射镜，光束传播方向改变90度后进入偏振分束器。
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