[实用新型]一种偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生装置

说明书

技术领域

本实用新型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装置。

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Eleonora Nagali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。

实用新型内容

本实用新型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装置，该装置可稳定地产生高纯度偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子，且装置成本低。

为了实现本实用新型目的所采取的技术方案是：