CN110658634B - 连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统和方法，该处理系统包括：HG01模纠缠单元，用于产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ和EPR纠缠光束Ⅱ；偏振纠缠单元，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅰ，在EPR纠缠光束Ⅰ上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ并输出；轨道角动量纠缠单元，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅱ，在EPR纠缠光束Ⅱ上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ并输出；斯托克斯参量测量单元，用于对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ和光束Ⅳ进行测量和验证。本发明实现了对连续变量偏振‑轨道角动量混合纠缠的产生与验证。

Description

连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统和方法

技术领域

本发明属于量子信息和激光技术领域，尤其涉及一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统和方法。

背景技术

量子纠缠是量子信息学科的重要资源之一，具有经典光场所不具备的量子关联特性。基于量子纠缠效应对信息进行编码、操控、传输和处理，有效保证了信息通信的安全性，完成传统的经典激光通信所不能完成的任务。由于光子具备多个自由度，对光子的多维自由度的操控、编码，可以实现信息并行传输和处理的能力，可以大幅度增加光子的信息携带量，提高信道容量，因此，构建多自由度的量子纠缠具有深远的研究意义。

在分离变量领域，物理学家们已经相继实现了偏振纠缠光子对、轨道角动量纠缠光子对、多光子纠缠和偏振-轨道混合纠缠光子对等的实验制备。而在连续变量领域，量子纠缠的实验工作主要集中在光场的正交振幅和正交位相这一对共轭量上。直到近年来，随着对光场认知的加深，物理学家们才开始把目光转移到对光场的其他自由度的研究和探索上，如光场的偏振，空间，时间和频谱等自由度，并衍生了一系列特殊类型的纠缠态，如偏振纠缠，空间多模纠缠，时间多模纠缠，频谱纠缠等。2009年，巴西A.Z.Khoury研究组理论上提出可以通过II类OPA产生同时具有自旋和轨道角动量纠缠的连续变量超纠缠态，2014年，山西大学郜江瑞等人通过象散补偿技术，在单个OPA腔中实现了这种连续变量超纠缠态的制备。此外，2011年，G.Leuchs等人通过压缩矢量光场，建立了偏振和空间自由度之间的量子关联。

其中，郜江瑞等人虽然实现了多个自由度的同时纠缠，但纠缠特性仍局限于光场的同一自由度上，并未涉及到不同自由度之间的量子纠缠。G.Leuchs等人的工作虽然制备了不同自由度之间的量子关联，但是这种关联仅限于振幅关联特性，并不是真正的量子纠缠。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统和方法，可实现对连续变量偏振-轨道角动量混合纠缠的产生与验证。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，包括：

HG01模纠缠单元，用于产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ和EPR纠缠光束Ⅱ；其中，EPR纠缠光束Ⅰ和EPR纠缠光束Ⅱ为水平偏振HG01模激光；

偏振纠缠单元，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅰ，在EPR纠缠光束Ⅰ上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ并输出；

轨道角动量纠缠单元，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅱ，在EPR纠缠光束Ⅱ上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ并输出；

斯托克斯参量测量单元，用于对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ和光束Ⅳ进行测量和验证。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，

偏振纠缠单元，用于：接收通过偏振纠缠单元的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅰ；接收通过偏振纠缠单元的输入端Ⅱ输入的垂直偏振HG01模激光；通过偏振纠缠单元下的偏振分束器，对所述EPR纠缠光束Ⅰ和垂直偏振HG01模激光进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅰ和垂直偏振HG01模激光的相对位相为θ₁，得到光束Ⅲ，并通过偏振分束器的水平输出端输出所述光束Ⅲ；

轨道角动量纠缠单元，用于：接收通过轨道角动量纠缠单元的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅱ；接收通过轨道角动量纠缠单元的输入端Ⅱ输入的水平偏振HG10模激光；通过轨道角动量纠缠单元下的模式耦合器，对所述EPR纠缠光束Ⅱ和水平偏振HG10模激光进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅱ和水平偏振HG10模激光的相对位相为θ₂，得到光束Ⅳ，并通过模式耦合器的输出端输出所述光束Ⅳ。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，斯托克斯参量测量单元，包括：

偏振测量子单元，用于接收光束Ⅲ，对光束Ⅲ进行偏振斯托克斯参量的量子噪声测量和验证；

轨道角动量测量子单元，用于接收光束Ⅳ，对光束Ⅳ进行轨道斯托克斯参量的量子噪声测量和验证。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，

偏振测量子单元，包括：依次设置的λ/2波片、λ/4波片、偏振分束棱镜、交直流探测器Ⅰ、交直流探测器Ⅱ和减法器Ⅰ；其中，工作时，通过调整λ/2波片和λ/4波片的角度，减法器Ⅰ输出端输出电流差信号，测得偏振斯托克斯参量的噪声起伏；λ表示波长；

轨道角动量测量子单元，包括：依次设置的π模式相移器、π/2模式相移器、模式分离器、交直流探测器Ⅲ、交直流探测器Ⅳ和减法器Ⅱ；其中，工作时，通过调整π模式相移器和π/2模式相移器的角度，减法器Ⅱ输出端输出电流差信号，测得轨道斯托克斯参量的噪声起伏。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，斯托克斯参量测量单元，还包括：

加减法器，用于对减法器Ⅰ和减法器Ⅱ输出的电流差信号做加、减法运算，实现对偏振-轨道自由度混合纠缠的联合测量。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，

π模式相移器，包括：一对相同焦距的柱面镜Ⅰ和柱面镜Ⅱ；其中，柱面镜Ⅰ和柱面镜Ⅱ的间隔为2f；

π/2模式相移器，包括：一对相同焦距的柱面镜Ⅲ和柱面镜Ⅳ；其中，柱面镜Ⅲ和柱面镜Ⅳ的间隔为

f表示柱面镜的焦距。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，模式耦合器由5镜非对称马赫增德尔干涉仪组成，包括：高反射镜Ⅰ、高反射镜Ⅱ、高反射镜Ⅲ、50/50分束器Ⅰ和50/50分束器Ⅱ；其中，50/50分束器Ⅰ和50/50分束器Ⅱ呈对角设置；高反射镜Ⅰ位于50/50分束器Ⅰ正下方、与50/50分束器Ⅱ处于同一水平线上；高反射镜Ⅱ和高反射镜Ⅲ与高反射镜Ⅰ呈对角设置。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，EPR纠缠光束Ⅰ和EPR纠缠光束Ⅱ满足如下纠缠关系：

其中，V表示功率噪声谱，

表示EPR纠缠光束Ⅰ的正交振幅分量，

表示EPR纠缠光束Ⅱ的正交振幅分量，

表示EPR纠缠光束Ⅰ的正交位相分量，

表示EPR纠缠光束Ⅱ的正交位相分量。

在上述连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统中，

光束Ⅲ的偏振斯托克斯参量的噪声起伏满足：

其中，

表示偏振斯托克斯参量的噪声起伏，i＝0,1,2,3；α_V01,p表示垂直偏振HG01模激光的振幅；α_H01,a表示EPR纠缠光束Ⅰ的振幅；

表示垂直偏振HG01模激光的正交振幅分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅰ的正交振幅分量的起伏；

表示垂直偏振HG01模激光的正交位相分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅰ的正交位相分量的起伏；

当i≠0,k≠0,j≠0时，偏振斯托克斯算符满足对易关系：

i≠k≠j

i,j,k∈{1,2,3}

其中，

表示偏振斯托克斯参量；

光束Ⅳ的轨道斯托克斯参量的噪声起伏满足：

其中，

表示轨道斯托克斯参量的噪声起伏，i＝0,1,2,3；α_H10,o表示水平偏振HG10模激光的振幅；α_H01,b表示EPR纠缠光束Ⅱ的振幅；

表示水平偏振HG10模激光的正交振幅分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅱ的正交振幅分量的起伏；

表示水平偏振HG10模激光的正交位相分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅱ的正交位相分量的起伏；

当i≠0,k≠0,j≠0时，轨道角动量斯托克斯算符满足对易关系：

其中，

表示轨道斯托克斯参量。

本发明还公开了一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方法，包括：

通过HG01模纠缠单元产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ和EPR纠缠光束Ⅱ；其中，EPR纠缠光束Ⅰ和EPR纠缠光束Ⅱ为水平偏振HG01模激光；

通过偏振纠缠单元，在EPR纠缠光束Ⅰ上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ并输出；

通过轨道角动量纠缠单元，在EPR纠缠光束Ⅱ上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ并输出；

通过斯托克斯参量测量单元，对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ和光束Ⅳ进行测量和验证。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方案，基于纠缠的HG01模光束为基础，通过分别在纠缠的两束光场上构造偏振和轨道角动量自由度来建立偏振和轨道角动量两种自由度之间的量子纠缠特性，实现对连续变量偏振-轨道角动量混合纠缠的产生与验证，突破了当前连续变量量子纠缠局限于光场同一个自由度的现状。

(2)通过本发明公开的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方案，可实现对光子的多维自由度的操控、编码；可实现信息并行传输和处理，大幅度增加光子的信息携带量，提高了信道容量；可实现诸如量子全息隐形传态和量子镜像密集编码等量子信息协议。

(3)本发明公开的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方案，可用于构建混合型量子信息网络。

附图说明

图1是本发明实施例中一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中又一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种π模式相移器的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种π/2模式相移器的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种模式耦合器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

实施例1

如图1，在本实施例中，该连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，可以包括：

HG01模纠缠单元1，用于产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ11和EPR纠缠光束Ⅱ12。其中，EPR纠缠光束Ⅰ11和EPR纠缠光束Ⅱ12为水平偏振HG01模激光。

偏振纠缠单元2，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅰ11，在EPR纠缠光束Ⅰ11上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ23并输出。

轨道角动量纠缠单元3，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅱ12，在EPR纠缠光束Ⅱ12上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ33并输出。

斯托克斯参量测量单元4，用于对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ23和光束Ⅳ33进行测量和验证。

综上，本发明提出一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方案，基于纠缠的HG01模光束为基础，通过分别在纠缠的两束光场上构造偏振和轨道角动量自由度来建立偏振和轨道角动量两种自由度之间的量子纠缠特性，实现对连续变量偏振-轨道角动量混合纠缠的产生与验证，突破了当前连续变量量子纠缠局限于光场同一个自由度的现状，

实施例2

如图2，斯托克斯参量测量单元4，具体可以包括偏振测量子单元41和轨道角动量测量子单元42。

在本发明的一优选实施例中，偏振纠缠单元2，具体可以用于：接收通过偏振纠缠单元2的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅰ11；接收通过偏振纠缠单元2的输入端Ⅱ输入的垂直偏振HG01模激光21；通过偏振纠缠单元2下的偏振分束器22，对所述EPR纠缠光束Ⅰ11和垂直偏振HG01模激光21进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅰ11和垂直偏振HG01模激光21的相对位相为θ₁，得到光束Ⅲ23，并通过偏振分束器22的水平输出端输出所述光束Ⅲ23。

进一步的，通过斯托克斯参量测量单元4下的偏振测量子单元41对所述通过偏振分束器22的水平输出端输出的光束Ⅲ23进行偏振斯托克斯参量的量子噪声测量和验证。具体的：

如图2，偏振测量子单元41，具体可以包括：依次设置的λ/2波片411、λ/4波片412、偏振分束棱镜413、交直流探测器Ⅰ414、交直流探测器Ⅱ415和减法器Ⅰ416。其中，工作时，通过调整λ/2波片411和λ/4波片412的角度，减法器Ⅰ416输出端输出电流差信号，测得偏振斯托克斯参量的噪声起伏；λ表示波长。

在本发明的一优选实施例中，轨道角动量纠缠单元3，具体可以用于：接收通过轨道角动量纠缠单元3的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅱ12；接收通过轨道角动量纠缠单元3的输入端Ⅱ输入的水平偏振HG10模激光31；通过轨道角动量纠缠单元3下的模式耦合器32，对所述EPR纠缠光束Ⅱ12和水平偏振HG10模激光31进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅱ12和水平偏振HG10模激光31的相对位相为θ₂，得到光束Ⅳ33，并通过模式耦合器32的输出端输出所述光束Ⅳ33。

进一步的，通过斯托克斯参量测量单元4下的轨道角动量测量子单元42，对光束Ⅳ33进行轨道斯托克斯参量的量子噪声测量和验证。具体的：

如图2，轨道角动量测量子单元42，具体可以包括：依次设置的π模式相移器421、π/2模式相移器422、模式分离器423、交直流探测器Ⅲ424、交直流探测器Ⅳ425和减法器Ⅱ426。其中，工作时，通过调整π模式相移器421和π/2模式相移器422的角度，减法器Ⅱ426输出端输出电流差信号，测得轨道斯托克斯参量的噪声起伏。

其中，0≤θ₁≤π，0≤θ₂≤π。

在本发明的一优选实施例中，如图2，该斯托克斯参量测量单元4还可以包括：加减法器43。其中，减法器Ⅰ416和减法器Ⅱ426输出的电流差信号在加减法器43上做加、减法运算，进而实现对偏振-轨道自由度混合纠缠的联合测量。

在本发明的一优选实施例中，如图3，π模式相移器421，具体可以包括：一对相同焦距的柱面镜Ⅰ4211和柱面镜Ⅱ4212。如图4，π/2模式相移器422，具体可以包括：一对相同焦距的柱面镜Ⅲ4221和柱面镜Ⅳ4222。其中，柱面镜Ⅰ4211和柱面镜Ⅱ4212的间隔为2f，柱面镜Ⅲ4221和柱面镜Ⅳ4222的间隔为

f表示柱面镜的焦距。

可见，通过本实施例，实现了对连续变量偏振-轨道角动量混合纠缠的产生与联合测量验证。

实施例3

如图5，在本实施例中，模式耦合器32可以由5镜非对称马赫增德尔(Mach-Zehnder)干涉仪组成，具体可以包括：高反射镜Ⅰ323、高反射镜Ⅱ324、高反射镜Ⅲ325、50/50分束器Ⅰ321和50/50分束器Ⅱ322。其中，50/50分束器Ⅰ321和50/50分束器Ⅱ322呈对角设置；高反射镜Ⅰ323位于50/50分束器Ⅰ321正下方、与50/50分束器Ⅱ322处于同一水平线上；高反射镜Ⅱ324和高反射镜Ⅲ325与高反射镜Ⅰ323呈对角设置。即，该Mach-Zehnder干涉仪两臂分别具有奇数和偶数数量的反射镜。

在本实施例中，各光束可以满足如下需求：

a)EPR纠缠光束Ⅰ11和EPR纠缠光束Ⅱ12满足如下纠缠关系：

其中，V表示功率噪声谱，

表示EPR纠缠光束Ⅰ11的正交振幅分量，

表示EPR纠缠光束Ⅱ12的正交振幅分量，

表示EPR纠缠光束Ⅰ11的正交位相分量，

表示EPR纠缠光束Ⅱ12的正交位相分量。

b)光束Ⅲ23的偏振斯托克斯参量的噪声起伏满足：

其中，

表示偏振斯托克斯参量的噪声起伏，i＝0,1,2,3；α_V01,p表示垂直偏振HG01模激光21的振幅；α_H01,a表示EPR纠缠光束Ⅰ11的振幅；

表示垂直偏振HG01模激光21的正交振幅分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅰ11的正交振幅分量的起伏；

表示垂直偏振HG01模激光21的正交位相分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅰ11的正交位相分量的起伏。

当i≠0,k≠0,j≠0时，偏振斯托克斯算符满足对易关系：

i≠k≠j i,j,k∈{1,2,3}

其中，

表示偏振斯托克斯参量。

c)光束Ⅳ33的轨道斯托克斯参量的噪声起伏需满足：

其中，

表示轨道斯托克斯参量的噪声起伏，i＝0,1,2,3；α_H10,o表示水平偏振HG10模激光31的振幅；α_H01,b表示EPR纠缠光束Ⅱ12的振幅；

表示水平偏振HG10模激光31的正交振幅分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅱ12的正交振幅分量的起伏；

表示水平偏振HG10模激光31的正交位相分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅱ12的正交位相分量的起伏。

当i≠0,k≠0,j≠0时，轨道角动量斯托克斯算符满足对易关系：

其中，

表示轨道斯托克斯参量。

在本发明的一优选实施例中，令θ₁＝θ₂＝θ，且，垂直偏振HG01模激光21与水平偏振HG10模激光31具有相同光强与量子噪声起伏，则有：

α_H10,o＝α_V01,p＝α_in

另，如前所述，EPR纠缠光束Ⅰ11和EPR纠缠光束Ⅱ12为两束相同的水平偏振HG01模激光，有：

α_H01,a＝α_H01,b＝α_ent

根据Simon-Duan不可分判据的一般形式，连续变量量子纠缠的充分条件为：

其中，

和

表示两个一般的可观测量，

表示光束x和光束y中可观测量

的关联噪声起伏的小值。

将Simon-Duan不可分判据可进一步推广到不同自由度之间量子纠缠上：

其中，下标“dof”表示光场的自由度，本实施例中，具体可以指连续变量偏振(下标“p”)和轨道角动量(下标“o”)。例如，

表示光束a中偏振斯托克斯分量

具体到本发明实施例中，连续变量偏振自由度与轨道角动量自由度的量子纠缠不可分判据可写为：

其中，I表示不可分离度，当I＜1时，表示两束光之间存在纠缠。

当

时，表示该量子态不可分，也就是说两光束的偏振和轨道角动量自由度之间存在量子纠缠特性。

当垂直偏振HG01模激光21和水平偏振HG10模激光31为明亮相干光，光强远大于EPR纠缠光束Ⅰ11和EPR纠缠光束Ⅱ12时，有：

α_in＞＞α_ent

存在：

将式(2)代入式(1)，有：

当θ＝0时，有：

此时，偏振-轨道角动量自由度的不可分度仅与HG01模的纠缠特性相关，根据

可知：

可见，满足纠缠判据，因此可以证明偏振自由度与轨道角动量自由度之间存在量子纠缠特性。

综上所述，本发明实施例所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方案，利用纠缠的HG01模光束本身的纠缠特性，通过在纠缠的两束光场上分别构造偏振和轨道角动量自由度，来构建两种自由度之间的量子纠缠特性，方案简单，容易操作，具有可扩展性。

此外，需要说明的是，本实施例主要描述了如何产生一阶厄米高斯模的连续变量偏振-轨道角动量混合纠缠，可进一步扩展到更高维的偏振-轨道角动量混合纠缠，应用于特殊量子信息等领域。

实施例4

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方法，包括：通过HG01模纠缠单元产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ11和EPR纠缠光束Ⅱ12；通过偏振纠缠单元2，在EPR纠缠光束Ⅰ11上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ23并输出；通过轨道角动量纠缠单元3，在EPR纠缠光束Ⅱ12上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ33并输出；通过斯托克斯参量测量单元4，对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ23和光束Ⅳ33进行测量和验证。

对于方法实施例而言，由于其与系统实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例部分的说明即可。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，包括：

HG01模纠缠单元(1)，用于产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ(11)和EPR纠缠光束Ⅱ(12)；其中，EPR纠缠光束Ⅰ(11)和EPR纠缠光束Ⅱ(12)为水平偏振HG01模激光；

偏振纠缠单元(2)，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅰ(11)，在EPR纠缠光束Ⅰ(11)上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ(23)并输出；

轨道角动量纠缠单元(3)，用于接收输入的EPR纠缠光束Ⅱ(12)，在EPR纠缠光束Ⅱ(12)上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ(33)并输出；

斯托克斯参量测量单元(4)，用于对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ(23)和光束Ⅳ(33)进行测量和验证；

其中：

偏振纠缠单元(2)，具体用于：接收通过偏振纠缠单元(2)的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅰ(11)；接收通过偏振纠缠单元(2)的输入端Ⅱ输入的垂直偏振HG01模激光(21)；通过偏振纠缠单元(2)下的偏振分束器(22)，对所述EPR纠缠光束Ⅰ(11)和垂直偏振HG01模激光(21)进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅰ(11)和垂直偏振HG01模激光(21)的相对位相为θ₁，得到光束Ⅲ(23)，并通过偏振分束器(22)的水平输出端输出所述光束Ⅲ(23)；

轨道角动量纠缠单元(3)，具体用于：接收通过轨道角动量纠缠单元(3)的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅱ(12)；接收通过轨道角动量纠缠单元(3)的输入端Ⅱ输入的水平偏振HG10模激光(31)；通过轨道角动量纠缠单元(3)下的模式耦合器(32)，对所述EPR纠缠光束Ⅱ(12)和水平偏振HG10模激光(31)进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅱ(12)和水平偏振HG10模激光(31)的相对位相为θ₂，得到光束Ⅳ(33)，并通过模式耦合器(32)的输出端输出所述光束Ⅳ(33)。

2.根据权利要求1所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，斯托克斯参量测量单元(4)，包括：

偏振测量子单元(41)，用于接收光束Ⅲ(23)，对光束Ⅲ(23)进行偏振斯托克斯参量的量子噪声测量和验证；

轨道角动量测量子单元(42)，用于接收光束Ⅳ(33)，对光束Ⅳ(33)进行轨道斯托克斯参量的量子噪声测量和验证。

3.根据权利要求2所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，

偏振测量子单元(41)，包括：依次设置的λ/2波片(411)、λ/4波片(412)、偏振分束棱镜(413)、交直流探测器Ⅰ(414)、交直流探测器Ⅱ(415)和减法器Ⅰ(416)；其中，工作时，通过调整λ/2波片(411)和λ/4波片(412)的角度，减法器Ⅰ(416)输出端输出电流差信号，测得偏振斯托克斯参量的噪声起伏；λ表示波长；

轨道角动量测量子单元(42)，包括：依次设置的π模式相移器(421)、π/2模式相移器(422)、模式分离器(423)、交直流探测器Ⅲ(424)、交直流探测器Ⅳ(425)和减法器Ⅱ(426)；其中，工作时，通过调整π模式相移器(421)和π/2模式相移器(422)的角度，减法器Ⅱ(426)输出端输出电流差信号，测得轨道斯托克斯参量的噪声起伏。

4.根据权利要求3所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，斯托克斯参量测量单元(4)，还包括：

加减法器(43)，用于对减法器Ⅰ(416)和减法器Ⅱ(426)输出的电流差信号做加、减法运算，实现对偏振-轨道自由度混合纠缠的联合测量。

5.根据权利要求3所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，

π模式相移器(421)，包括：一对相同焦距的柱面镜Ⅰ(4211)和柱面镜Ⅱ(4212)；其中，柱面镜Ⅰ(4211)和柱面镜Ⅱ(4212)的间隔为2f；

π/2模式相移器(422)，包括：一对相同焦距的柱面镜Ⅲ(4221)和柱面镜Ⅳ(4222)；其中，柱面镜Ⅲ(4221)和柱面镜Ⅳ(4222)的间隔为

f表示柱面镜的焦距。

6.根据权利要求1所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，模式耦合器(32)由5镜非对称马赫增德尔干涉仪组成，包括：高反射镜Ⅰ(323)、高反射镜Ⅱ(324)、高反射镜Ⅲ(325)、50/50分束器Ⅰ(321)和50/50分束器Ⅱ(322)；其中，50/50分束器Ⅰ(321)和50/50分束器Ⅱ(322)呈对角设置；高反射镜Ⅰ(323)位于50/50分束器Ⅰ(321)正下方、与50/50分束器Ⅱ(322)处于同一水平线上；高反射镜Ⅱ(324)和高反射镜Ⅲ(325)与高反射镜Ⅰ(323)呈对角设置。

7.根据权利要求1所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，EPR纠缠光束Ⅰ(11)和EPR纠缠光束Ⅱ(12)满足如下纠缠关系：

其中，V表示功率噪声谱，

表示EPR纠缠光束Ⅰ(11)的正交振幅分量，

表示EPR纠缠光束Ⅱ(12)的正交振幅分量，

表示EPR纠缠光束Ⅰ(11)的正交位相分量，

表示EPR纠缠光束Ⅱ(12)的正交位相分量。

8.根据权利要求7所述的连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理系统，其特征在于，

光束Ⅲ(23)的偏振斯托克斯参量的噪声起伏满足：

其中，

表示偏振斯托克斯参量的噪声起伏，i＝0,1,2,3；α_V01,p表示垂直偏振HG01模激光(21)的振幅；α_H01,a表示EPR纠缠光束Ⅰ(11)的振幅；

表示垂直偏振HG01模激光(21)的正交振幅分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅰ(11)的正交振幅分量的起伏；

表示垂直偏振HG01模激光(21)的正交位相分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅰ(11)的正交位相分量的起伏；

当i≠0,k≠0,j≠0时，偏振斯托克斯算符满足对易关系：

其中，

表示偏振斯托克斯参量；

光束Ⅳ(33)的轨道斯托克斯参量的噪声起伏满足：

其中，

表示轨道斯托克斯参量的噪声起伏，i＝0,1,2,3；α_H10,o表示水平偏振HG10模激光(31)的振幅；α_H01,b表示EPR纠缠光束Ⅱ(12)的振幅；

表示水平偏振HG10模激光(31)的正交振幅分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅱ(12)的正交振幅分量的起伏；

表示水平偏振HG10模激光(31)的正交位相分量的起伏；

表示EPR纠缠光束Ⅱ(12)的正交位相分量的起伏；

当i≠0,k≠0,j≠0时，轨道角动量斯托克斯算符满足对易关系：

其中，

表示轨道斯托克斯参量。

9.一种连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的处理方法，其特征在于，包括：

通过HG01模纠缠单元(1)产生并输出EPR纠缠光束Ⅰ(11)和EPR纠缠光束Ⅱ(12)；其中，EPR纠缠光束Ⅰ(11)和EPR纠缠光束Ⅱ(12)为水平偏振HG01模激光；

通过偏振纠缠单元(2)，在EPR纠缠光束Ⅰ(11)上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ(23)并输出；

通过轨道角动量纠缠单元(3)，在EPR纠缠光束Ⅱ(12)上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ(33)并输出；

通过斯托克斯参量测量单元(4)，对连续变量偏振与轨道角动量混合纠缠的光束Ⅲ(23)和光束Ⅳ(33)进行测量和验证；

其中：

通过偏振纠缠单元(2)，在EPR纠缠光束Ⅰ(11)上构造偏振自由度，得到光束Ⅲ(23)并输出，包括：接收通过偏振纠缠单元(2)的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅰ(11)；接收通过偏振纠缠单元(2)的输入端Ⅱ输入的垂直偏振HG01模激光(21)；通过偏振纠缠单元(2)下的偏振分束器(22)，对所述EPR纠缠光束Ⅰ(11)和垂直偏振HG01模激光(21)进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅰ(11)和垂直偏振HG01模激光(21)的相对位相为θ₁，得到光束Ⅲ(23)，并通过偏振分束器(22)的水平输出端输出所述光束Ⅲ(23)；

通过轨道角动量纠缠单元(3)，在EPR纠缠光束Ⅱ(12)上构造轨道角动量自由度，得到光束Ⅳ(33)并输出，包括：接收通过轨道角动量纠缠单元(3)的输入端Ⅰ输入的EPR纠缠光束Ⅱ(12)；接收通过轨道角动量纠缠单元(3)的输入端Ⅱ输入的水平偏振HG10模激光(31)；通过轨道角动量纠缠单元(3)下的模式耦合器(32)，对所述EPR纠缠光束Ⅱ(12)和水平偏振HG10模激光(31)进行耦合处理，并锁定所述EPR纠缠光束Ⅱ(12)和水平偏振HG10模激光(31)的相对位相为θ₂，得到光束Ⅳ(33)，并通过模式耦合器(32)的输出端输出所述光束Ⅳ(33)。

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