CN104466655B - 偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统及方法，该系统包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q‑plate转化器和提纯单元。所述LD泵浦源用于产生泵浦光，为系统提供输入信号；所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q‑plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯。本发明可以稳定地产生高纯度的偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子，并且该系统结构简单，产生过程简洁。
Description
技术领域
本发明属于量子信息与光通信技术领域，具体涉及一种可以稳定地产生高纯度偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统及方法。
背景技术
量子纠缠是指物理上可分离的多子系量子系统之间的非局域关联，也就是对一个子系统的测量结果无法独立于其它子系统的测量参数。量子纠缠构成了现代量子信息技术中不可或缺的重要资源和信息载体。广义的纠缠不仅在于多光子之间，还存在于同一个光子的不同自由度之间。近年来单光子纠缠态在设计量子信息处理器件中具有潜在的应用。例如，单光子的双量子纠缠比特已应用于确定性密码方案。Barreiro小组基于单光子自旋-轨道纠缠态的分析，打破了线性超密集编码的传统极限。另外，基于物理特性的纠缠态的光子源，在量子信息的各方面，如量子密钥分发、量子隐形传态、量子计算等都起着重要作用。构成纠缠的粒子可以有很多种，如原子，离子等，但由于光子独特的传输特性，纠缠光子更适合于传输量子信息。
光子间有多种自由度的纠缠例如偏振、频率、动量和位置、还有光场的正交振幅和位相分量等。这些丰富的自由度的研究更多地认识了量子物理的本质，也为量子信息技术的编码和解码提供了方便。
1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队从理论上证明光子中含有确定的轨道角动量之后，光子的轨道角动量开始成为光学领域的一个研究热点。利用相位、偏振、频率等量子态来编码，只能实现一个量子比特(qubit)编码；而轨道角动量的量子数l在理论上允许取任意整数，因此以光子轨道角动量作为信息的载体来编码信息，能够大大增加传输的信息容量，人们可以实现一个高维的希尔伯特空间中高维量子态(qudits)编码，且具有更高的保密性，这为单光子的多比特量子通信的实现奠定了基础。
目前，具有光子轨道角动量的光子源产生方法主要有：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。
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，然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，意大利罗马大学的EleonoraNagali等人发现，利用液晶制作的一种非均匀各向异性的Q-plate可以巧妙的实现偏振态向轨道角动量的转化，从而在实验上实现了偏振-轨道角动量双光子混合纠缠态的产生。利用偏振-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，如量子密钥分发、量子隐形传态、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在实际应用中还存在一些问题。例如，由于器件材料性能的制约，光束在经过Q-plate的作用后，偏振-轨道角动量混合纠缠态和偏振态两种不同性质的量子态同时存在，从而获得的量子混合纠缠态的纯度很低。如果使用这种纯度不高的纠缠态进行量子通信和量子计算将会导致信息失真，误码率变大。要想充分利用偏振-轨道角动量混合纠缠态的高维量子纠缠特性，达到可信稳定的量子通信、量子计算，需要改进现有携带轨道角动量的光子源产生方法，采用混合纠缠态提纯技术获得高纯度纠缠态。因此，提出新型光子源获得高纯度的量子纠缠态是量子信息研究中的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于为了解决以上的不足，提供了一种偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，该系统可稳定地产生高纯度偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子，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：
偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q-plate转化器和提纯单元；所述LD泵浦源用于产生泵浦光，所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q-plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯。
进一步地，所述光学耦合系统包括依次连接的第一球面透镜和第二球面透镜。
所述第一球面透镜用于对泵浦光进行准直，所述第二球面透镜用于对泵浦光进行聚焦。
进一步地，所述激光谐振腔包括依次连接的激光谐振腔输入端镜、激光增益介质和激光谐振腔输出端镜。
激光谐振腔用于提供反馈能量，选择光波的方向和频率。所述激光谐振腔输入端镜和激光谐振腔输出端镜用来使激光增益介质的受激辐射连续进行、不断给光子加速、限制激光输出的方向；
进一步地，所述激光增益介质是激光晶体。
激光晶体能实现能级跃迁，具有阈值低和具有优良的热学性质，可使该产生系统可连续和高重复率的工作。
进一步地，所述光束调控单元包括依次连接的谐波非线性晶体、波片组和衰减器。
光束调控单元用于对光束进行调控输出为所需要的水平偏振单光子。
进一步地，所述谐波非线性晶体包括透镜和倍频晶体；所述波片组包括λ/4波片和λ/2波片。
其中λ表示波长；谐波非线性晶体用于对光束的波长进行调控，输出所需要波长的激光。波片组用于对激光进行整形调控输出水平偏振光。所述衰减器用于对激光进行强衰减，从而获得水平偏振单光子。
进一步地，所述提纯单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的单光子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。
其中第一全反射镜和第二全反射镜均为镀有高反膜的全反射镜。
进一步地，所述Q-plate转化器为Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成，用于将衰减器输出的水平偏振单光子转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。
本发明还提供了一种偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生方法，包括以下步骤：
(1)泵浦光的产生：使用LD泵浦源产生泵浦光；
(2)光束的耦合：所述泵浦光进入光学耦合系统，泵浦光经过第一球面透镜，第一球面透镜对泵浦光进行准直，经过准直后的泵浦光到达第二球面透镜，第二个球面透镜对准直后的泵浦光进行聚焦；
(3)光束的放大：经步骤(2)耦合的光束进入激光谐振腔，依次经过激光谐振腔输入端镜、激光增益介质和激光谐振腔输出端镜，所述激光谐振腔输入端镜和激光谐振腔输出端镜使所述激光增益介质连续进行受激辐射，不断给光子加速、限制激光输出的方向；
(4)光束的调控：经步骤(3)输出的激光进入光束调控单元，光束调控单元中的谐波非线性晶体通过聚焦和倍频对激光的波长进行调控，然后通过波片组调控输出为水平偏振光，水平偏振光经过衰减器后获得水平偏振单光子；
(5)偏振-轨道角动量的转化：经步骤(4)输出的水平偏振单光子进入Q-plate转化器，水平偏振单光子被转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；
(6)偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的提纯：经步骤(5)产生的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子和未发生转化的水平偏振单光子进入提纯单元，将所述偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子和未发生转化的水平偏振单光子进行分离，提取偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。
进一步地，在步骤(6)中，所述提纯单元中的第一分束器将通过其的光子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，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，其中的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子直接输出。
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；通过利用激光增益介质具有阈值低和具有优良的热学性质，使该产生系统可连续和高重复率的工作、利用Q-plate的转化作用产生偏振-轨道角动量混合纠缠态，然后结合达夫棱镜的提纯特性，实现了可稳定地产生高纯度偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子，使高纯度偏振-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、本发明中用单光子的混合纠缠态进行编解码调制，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偏振-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，而且受工作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是本发明的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统的结构示意图；
图2是本发明中提纯单元的结构示意图；
图3是图2对应的等效图。
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和附图3所示，一种偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，包括依次连接的LD泵浦源1、光学耦合系统2、激光谐振腔3、光束调控单元4、Q-plate转化器5和提纯单元6。
所述LD泵浦源1用于产生泵浦光，通过光学耦合系统2来泵浦激光谐振腔3中的激光增益介质31，作为系统的输入信号。所述光学耦合系统2用于对泵浦光进行准直和聚焦。所述激光谐振腔3与光学耦合系统2连接，用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率。所述光束调控单元4与所述激光谐振腔3连接，用于对光束进行调控输出所需要的水平偏振单光子。所述Q-plate转化器5与光束调控单元4连接，用于将光束调控单元4中的衰减器42输出的水平偏振单光子转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。所述提纯单元6与Q-plate转化器5连接，用于对偏振-轨道角动量混合纠缠态进行提纯，从而可稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。
其中光学耦合系统2包括依次连接的第一球面透镜和第二球面透镜。所述第一球面透镜对光束进行准直，经过准直后的光束到达第二球面透镜，第二球面透镜对光束进行聚焦。
其中激光谐振腔3包括依次连接的激光谐振腔输入端镜30、激光增益介质31和激光谐振腔输出端镜32。所述激光谐振腔输入端镜30和激光谐振腔输出端镜32使激光增益介质31的受激辐射连续进行，不断给光子加速、限制激光输出的方向。所述激光增益介质31实现能级跃迁，其具有阈值低和具有优良的热学性质，可使该产生系统可连续和高重复率的工作。
其中光束调控单元4包括谐波非线性晶体40、波片组41和衰减器42。谐波非线性晶体40包括透镜和倍频晶体，通过聚焦和倍频对光束的波长进行调控，输出所需要波长的激光。所述波片组41包括λ/4波片和λ/2波片，用于对需要波长的激光进行整形调控，输出水平偏振光。所述衰减器42用于对水平偏振光进行强衰减，从而获得水平偏振单光子。
其中Q-plate转化器5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可以实现偏振光束向轨道角动量光束的转化，并且该输入偏振控制着轨道角动量的波前螺旋性。
其中提纯单元6包括第一分束器60，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61和第一镀有高反膜的全反射镜62，第二光束路径上依次设有第二镀有高反膜的全反射镜63和第二达夫棱镜64，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65，其分束比为50:50。所述镀有高反膜的全反射镜62、63用于反射光束，以改变光束的传输路径。参照附图2和附图3所示，当第一达夫棱镜61和第二达夫棱镜64的相对角度为α时，达夫棱镜61、64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65处发生相消干涉。经过第二分束器65后得到的偏振-轨道角动量混合纠缠态光子从该产生系统的输出端输出，而未发生转化的水平偏振光子在第二分束器65处发生相增干涉，经过第二分束器65后被舍弃掉。最终，可以稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。
本发明的具体工作原理如下：LD泵浦源1产生泵浦光，泵浦光进入光学耦合系统2，第一个球面透镜对激光进行准直，随后第二个球面透镜对激光进行聚焦，准直和聚焦后的激光进入激光谐振腔3，激光谐振腔输入端镜30和激光谐振腔输出端镜32使激光增益介质31的受激辐射连续进行，不断给光子加速、限制激光输出的方向，激光增益介质31实现能级跃迁，其具有阈值低和具有优良的热学性质，可使该产生系统可连续和高重复率的工作，激光谐振腔3输出的激光进入光束调控单元4，谐波非线性晶体40首先通过聚焦和倍频对光束的波长进行调控，输出所需要波长的激光，其次波片组41对需要波长的激光进行整形调控输出水平偏振光，最后衰减器42用于对水平偏振光进行强衰减，从而获得水平偏振单光子|H>，再入射Q-plate转化器5。Q-plate转化器在极坐标系中，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转化器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转化器作用后，入射的水平偏振光子|H>将转化为偏振-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转化器本身材料特性，仍有部分透过Q-plate转化器的水平偏振光子|H>未转化为偏振-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>和偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子|ψ>Hybrid通过第一分束器60，进入提纯单元6。参照附图2和附图3所示，第一分束器60将到达其上的光分为两路，所述达夫棱镜61、64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61、64的作用等效于在第一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：当提纯单元输入态为|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第二分束器65处发生相消干涉，将从提纯单元的Out1出口输出，此时输出端得到即混合纠缠态，这就是我们需要的，从而可稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；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>，在第二分束器65处发生相增干涉将从提纯单元的Out2出口输出，这一部分是我们不要的。
本发明中偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生方法，包括以下步骤：
(1)泵浦光的产生：使用LD泵浦源1产生泵浦光；
(2)光束的耦合：所述泵浦光进入光学耦合系统2，泵浦光经过第一球面透镜，第一球面透镜对泵浦光进行准直，经过准直后的泵浦光到达第二球面透镜，第二个球面透镜对准直后的泵浦光进行聚焦；
(3)光束的放大：经步骤(2)耦合的光束进入激光谐振腔3，依次经过激光谐振腔输入端镜30、激光增益介质31和激光谐振腔输出端镜32，所述激光谐振腔输入端镜30和激光谐振腔输出端镜32使所述激光增益介质32连续进行受激辐射，不断给光子加速、限制激光输出的方向，激光增益介质31能实现能级跃迁，具有阈值低和具有优良的热学性质；
(4)光束的调控：经步骤(3)输出的激光进入光束调控单元4，光束调控单元4中的谐波非线性晶体40通过聚焦和倍频对激光的波长进行调控，然后通过波片组41调控输出为水平偏振光，水平偏振光经过衰减器42后获得水平偏振单光子；
(5)偏振-轨道角动量的转化：经步骤(4)输出的水平偏振单光子进入Q-plate转化器5，水平偏振单光子被转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；
(6)偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的提纯：经步骤(5)产生的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子和未发生转化的水平偏振单光子进入提纯单元6，将所述偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子和未发生转化的水平偏振单光子进行分离，所述提纯单元中的第一分束器60将通过其的光子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61和第一全反射镜62，所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜63和第二达夫棱镜64；第一光束在第一达夫棱镜61作用下产生相位差，然后经过第一全反射镜62，光束的传播方向改变90度；第二光束经第二全反射镜63，光束传播方向改变90度后到达第二达夫棱镜64，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65后，其中的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子从out1输出端直接输出。
本发明实现了高纯度偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的稳定高效的产生，降低了系统成本，系统结构简洁。
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 (9)
1.偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q-plate转化器和提纯单元；
所述LD泵浦源用于产生泵浦光，所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q-plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯；
其中所述提纯单元包括第一分束器，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和第一镀有高反膜的全反射镜，第二光束路径上依次设有第二镀有高反膜的全反射镜和第二达夫棱镜，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，其分束比为50:50；
当第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的相对角度为α时，第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的作用等效于在所述第一光束路径上加入旋转角为2α的光束旋转器，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，并在所述第二分束器处发生相消干涉，经过所述第二分束器后得到的偏振-轨道角动量混合纠缠态光子从该产生系统的输出端输出，而未发生转化的水平偏振光子在第二分束器处发生相增干涉，经过第二分束器后被舍弃掉，最终可以稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；
其中，所述相位项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；
当提纯单元输入态为|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第二分束器处发生相消干涉，将从提纯单元的Out1出口输出，此时输出端得到从而稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。
2.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述光学耦合系统包括依次连接的第一球面透镜和第二球面透镜。
3.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述激光谐振腔包括依次连接的激光谐振腔输入端镜、激光增益介质和激光谐振腔输出端镜。
4.根据权利要求3所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述激光增益介质为激光晶体。
5.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述光束调控单元包括依次连接的谐波非线性晶体、波片组和衰减器。
6.根据权利要求5所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述谐波非线性晶体包括透镜和倍频晶体，用于调控泵浦光的波长；所述波片组包括λ4波片和λ/2波片。
7.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，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。
8.偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)泵浦光的产生：使用LD泵浦源产生泵浦光；
(2)光束的耦合：所述泵浦光进入光学耦合系统，泵浦光经过第一球面透镜，第一球面透镜对泵浦光进行准直，经过准直后的泵浦光到达第二球面透镜，第二个球面透镜对准直后的泵浦光进行聚焦；
(3)光束的放大：经步骤(2)耦合的光束进入激光谐振腔，依次经过激光谐振腔输入端镜、激光增益介质和激光谐振腔输出端镜，所述激光谐振腔输入端镜和激光谐振腔输出端镜使所述激光增益介质连续进行受激辐射，不断给光子加速、限制激光输出的方向；
(4)光束的调控：经步骤(3)输出的激光进入光束调控单元，光束调控单元中的谐波非线性晶体通过聚焦和倍频对激光的波长进行调控，然后通过波片组调控输出为水平偏振光，水平偏振光经衰减器获得水平偏振单光子；
(5)偏振-轨道角动量的转化：经步骤(4)输出的水平偏振单光子进入Q-plate转化器，水平偏振单光子被转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；
(6)偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的提纯：经步骤(5)产生的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子和未发生转化的水平偏振单光子进入提纯单元，将所述偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子和未发生转化的水平偏振单光子进行分离，提取偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；
其中所述提纯单元包括第一分束器，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和第一镀有高反膜的全反射镜，第二光束路径上依次设有第二镀有高反膜的全反射镜和第二达夫棱镜，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，其分束比为50:50；
当第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的相对角度为α时，第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的作用等效于在所述第一光束路径上加入旋转角为2α的光束旋转器，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，并在所述第二分束器处发生相消干涉，经过所述第二分束器后得到的偏振-轨道角动量混合纠缠态光子从该产生系统的输出端输出，而未发生转化的水平偏振光子在第二分束器处发生相增干涉，经过第二分束器后被舍弃掉，最终可以稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；
其中，所述相位项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；
当提纯单元输入态为|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第二分束器处发生相消干涉，将从提纯单元的Out1出口输出，此时输出端得到从而稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。
9.根据权利要求8所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述提纯单元中的第一分束器将通过其的光子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，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，其中的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子直接输出。
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