一種自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統的製作方法

2023-11-06 07:30:37 2

專利名稱:一種自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統，該系統由單光子源、自旋-軌道角動量轉化單元、自旋-軌道角動量混合糾纏態分離單元和反饋補償單元組成。自旋-軌道角動量轉化單元採用偏振分束器、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稜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光子的分離；反饋補償單元採用兩個全反射鏡和偏振控制器將未發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。本實用新型實現了高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態的高效轉化，降低了系統成本和通信誤碼率，增強了系統的安全性。
【專利說明】一種自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於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 纏態的產生系統。

【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 振態相關，左旋圓偏振態|l>和右旋圓偏振態|r>作為自旋角動量算符的本徵態，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，並 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，研宄表明，每個單光子中 含有確定的軌道角動量彷，其中1為軌道角動量的特徵量子數，可以取任意整數，1值不同 時代表不同的軌道角動量階數，由於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。研宄也發 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 重要研宄價值。之後，光子的軌道角動量開始成為光學領域的一個研宄熱點。因此，人們致 力於研宄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31相位轉換器和31 /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，並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：採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，在這裡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彷的拉蓋爾-高斯光束。如果將全息技術和空間光調製 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，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] 基於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，量子態及量子糾纏態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及軌道角動量糾纏態，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光束成為人們研宄的重要方向。最近，義大利那 不勒斯大學的Marrucci等人發現，利用液晶製作的一種非均勾各向異性的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。利用自旋-軌道角動量混合糾纏態，可以構建一個更高維的希爾伯特空間，實現高 維量子態（qudits)編碼，這在量子信息領域，如量子隱形傳態、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，由於器件材料性能的制約，其混合糾纏 態轉化效率還不是很高，另一方面，光束在經過Q-plate的作用後，自旋-軌道角動量混合 糾纏態和自旋角動量兩種不同性質的角動量態同時存在，要想充分利用自旋-軌道角動量 混合糾纏態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。 實用新型內容
[0005] 本實用新型的目的在於為了解決以上的不足，提供了一種自旋-軌道角動量混合 糾纏態的產生系統，該系統實現了高純度自旋-軌道角動量混合糾纏態的高效轉化，降低 了系統成本。
[0006] 為了實現本實用新型目的所採取的技術方案是：一種自旋-軌道角動量混合糾纏 態的產生系統，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 分離單元和反饋補償單元；所述單光子源用於產生水平偏振單光子，所述自旋-軌道角動 量轉化單元用於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 纏態光子，所述自旋-軌道角動量混合糾纏態分離單元用於對未發生轉化的水平偏振單光 子和自旋-軌道角動量混合糾纏態光子進行分離，所述反饋補償單元用於將分離出的未發 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；所述單光子源包括 雷射器和衰減器；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、第一偏振 控制器和Q-plate相位板；所述偏振分束器用於將偏振方向不同的光分開，所述第一偏振 控制器用於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 於將第一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光子；所 述自旋_軌道角動量混合糾纏態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稜鏡和第一全反 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稜鏡；所述第一光束和 第二光束的交匯處設有第二分束器；所述反饋補償單元包括依次設置的第三全反射鏡、第 二偏振控制器和第四全反射鏡；所述未發生轉化的水平偏振單光子經所述第二分束器到達 第三全反射鏡，所述第二偏振控制器用於將所有通過的偏振光調控輸出為垂直偏振光。
[0007] 其中單光子源主要用於產生系統所需要的水平偏振單光子。
[0008] 進一步地，所述Q-plate相位板為Pancharatnam-Berry相位板，其由單軸雙折射 向列液晶材料製成。
[0009] 進一步地，所述第一達夫稜鏡和第二達夫稜鏡相對設置，且在空間上具有夾角。
[0010] 進一步地，所述第一分束器的分束比為50 :50,所述第二分束器的分束比為50 : 50 〇
[0011] 與現有技術相比，本實用新型的有益效果在於：
[0012] 1、本實用新型的產生系統結構簡單，使用方便，通過利用Q-plate的轉化作用、達 夫稜鏡的分離特性並結合反饋補償方式，實現了高純度自旋_軌道角動量混合糾纏態的高 效轉化，獲得高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態光子；該系統實現了單光子源光束的 循環利用，降低了系統成本，提高了產生效率，使自旋-軌道角動量混合糾纏態的高維量子 糾纏特性得以充分利用；
[0013] 2、本實用新型中用單光子脈衝及量子混合糾纏態，提高了通信碼率並降低了誤碼 率，增強了系統的安全性；
[0014] 3、本實用新型中用軌道角動量，可以攜帶更多的信息，可以實現高維量子態編 碼；
[0015] 4、本實用新型能夠產生高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態，使用這種高純度 混合糾纏態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境噪 聲的影響很小。

【附圖說明】

[0016]圖1為本實用新型的自旋_軌道角動量混合糾纏態產生系統的結構示意圖；
[0017]圖2為本實用新型的自旋_軌道角動量混合糾纏態產生系統的工作流程圖；
[0018] 圖3為本實用新型中的Q-plate的轉化原理示意圖；
[0019] 圖4為本實用新型中自旋-軌道角動量混合糾纏態分離單元的結構示意圖； [0020] 圖5為圖4分離單元的等效圖；
[0021] 圖6為本實用新型的自旋-軌道角動量轉化單元中的偏振控制器的示意圖；
[0022] 圖7為本實用新型的反饋補償單元中的偏振控制器的示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 以下結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步說明：
[0024] 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的產生系統，該系統 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分離單元 12和反饋補償單元13。
[0025] 所述單光子源10包括雷射器和衰減器，用於產生系統所需要的水平偏振單光子， 作為系統的輸入信號。所述自旋-軌道角動量轉化單元11與單光子源10連接，用於實現 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光子。所述 自旋-軌道角動量混合糾纏態分離單元12與自旋-軌道角動量轉化單元11連接，用於實 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分離單元12 連接，用於實現將未發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 未發生轉化的水平偏振光進行再轉化。
[0026] 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、第一偏振控 制器111和Q-plate相位板112。所述偏振分束器110用於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，由單軸雙摺 射向列液晶材料製作而成，QP是模擬一種特殊情況下的介質環境，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，並且 該輸入自旋控制著軌道角動量的波前螺旋性。
[0027] 其中自旋-軌道角動量混合糾纏態分離單元12包括第一分束器120,其分束比為 50 :50,用於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 依次設有第一達夫稜鏡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和第二達夫稜鏡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用於反射光束，以改變光束的傳輸 路徑。參照附圖5所不，當第一達夫稜鏡和第二達夫稜鏡的相對角度為a時，達夫稜鏡的 作用等效於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(il巾）的光束在兩條光束路徑上產生相應的相位差，並在第二分束 器125處發生相消幹涉。經過第二分束器125後得到的自旋-軌道角動量混合糾纏態光子 從系統輸出端輸出，而未發生轉化的水平偏振光子在第二分束器125處發生相增幹涉，經 過第二分束器125後則進入反饋補償單元13中實現再轉化。
[0028] 其中反饋補償單元13包括第三全反射鏡130、第二偏振控制器131和第四全反射 鏡132。所述偏振控制器131位於全反射鏡130和132之間。所述全反射鏡130、132用於 反射光束，以改變光束的傳輸路徑。所述偏振控制器131用於對經第三全反射器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。
[0029] 本實用新型產生系統的具體工作原理如下：步驟201:該系統中單光子源10產生 水平偏振單光子|H>;步驟202:每個水平偏振單光子|H>進入自旋-軌道角動量轉化單 元11，透射過偏振分束器110,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|H>輸出，經過偏振控制器111的調控，再入 射到Q-plate相位板112,將水平偏振單光子|H>轉化為自旋-軌道角動量混合糾纏態 光子|i]〇HybHd。參照附圖3所不，Q-plate相位板在極坐標系中，光軸取向分布表不為： a(r，供)=-+心，其中，q和aQ為兩個固定常數，且q= 1/2，a。=〇。在單光子空間中， Q-plate的作用可以用一個量子算符來描述：

【權利要求】
1. 一種自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統，其特徵在於，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分離單元和反饋補償單元； 所述單光子源用於產生水平偏振單光子，所述自旋-軌道角動量轉化單元用於實現光 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光子，所述自旋-軌 道角動量混合糾纏態分離單元用於對未發生轉化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動量 混合糾纏態光子進行分離，所述反饋補償單元用於將分離出的未發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； 所述單光子源包括雷射器和衰減器； 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、第一偏振控制器和 Q-Plate相位板；所述偏振分束器用於將偏振方向不同的光分開，所述第一偏振控制器用 於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相位板用於將第一 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光子； 所述自旋-軌道角動量混合糾纏態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稜鏡和第 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稜鏡；所述第一 光束和第二光束的交匯處設有第二分束器； 所述反饋補償單元包括依次設置的第三全反射鏡、第二偏振控制器和第四全反射鏡； 所述未發生轉化的水平偏振單光子經所述第二分束器到達第三全反射鏡，所述第二偏振控 制器用於將所有通過的偏振光調控輸出為垂直偏振光。2. 根據權利要求1所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統，其特徵在於，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製成。3. 根據權利要求1所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統，其特徵在於，所述 第一達夫稜鏡和第二達夫稜鏡相對設置，且在空間上具有夾角。4. 根據權利要求1所述的自旋-軌道角動量混合糾纏態的產生系統，其特徵在於，所述 第一分束器的分束比為50 :50,所述第二分束器的分束比為50 :50。
【文檔編號】G02B27-28GK204272131SQ201420732164
【發明者】郭建軍, 郭邦紅, 程廣明, 張程賢, 範榕華, 張文杰 [申請人]華南師範大學