專利名稱:一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單光子源、自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元、自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元和反饋補(bǔ)償單元組成。自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元采用偏振分束器、偏振控制器和Q-plate相位板獲得自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子；所述分離單元通過(guò)兩個(gè)分束器，兩個(gè)全反射鏡和兩個(gè)達(dá)夫棱鏡實(shí)現(xiàn)未轉(zhuǎn)化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子的分離；反饋補(bǔ)償單元采用兩個(gè)全反射鏡和偏振控制器將未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振光反饋傳輸至自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了高純度的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的高效轉(zhuǎn)化，降低了系統(tǒng)成本和通信誤碼率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。
【專利說(shuō)明】一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于光通信與量子信息領(lǐng)域，具體涉及一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾 纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 早在1909年人們就意識(shí)到，光子可以攜帶自旋角動(dòng)量，自旋角動(dòng)量與光子的圓偏 振態(tài)相關(guān)，左旋圓偏振態(tài)|l>和右旋圓偏振態(tài)|r>作為自旋角動(dòng)量算符的本征態(tài)，分別攜帶 有、-A的自旋角動(dòng)量，因此，利用光子的自旋角動(dòng)量可以構(gòu)建一個(gè)二維希爾伯特空間，并 將信息編碼在這個(gè)二維空間中。然而直到1992年，荷蘭萊頓大學(xué)的Allen團(tuán)隊(duì)才從理論上 首次證明光子可以攜帶另一種形式的角動(dòng)量一光子軌道角動(dòng)量，研宄表明，每個(gè)單光子中 含有確定的軌道角動(dòng)量彷，其中1為軌道角動(dòng)量的特征量子數(shù)，可以取任意整數(shù)，1值不同 時(shí)代表不同的軌道角動(dòng)量階數(shù)，由于不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量之間彼此相互正交，因此利用 光子軌道角動(dòng)量作為信息的載體可以將信息編碼在一個(gè)高維希爾伯特空間中。研宄也發(fā) 現(xiàn)，攜帶軌道角動(dòng)量的光束不僅具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性和軌道角動(dòng)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且還具 有特殊的螺旋型波前結(jié)構(gòu)和光場(chǎng)相位奇點(diǎn)，這在量子信息協(xié)議及自由空間光通信領(lǐng)域具有 重要研宄價(jià)值。之后，光子的軌道角動(dòng)量開(kāi)始成為光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。因此，人們致 力于研宄各種產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量光束的方法。
[0003] 目前，軌道角動(dòng)量的產(chǎn)生主要有以下幾種方法：a、模式轉(zhuǎn)換器法：由兩個(gè)柱面透 鏡構(gòu)成，包括31相位轉(zhuǎn)換器和31 /2相位轉(zhuǎn)換器，由高階厄米-高斯模獲得拉蓋爾-高斯 模，該方法轉(zhuǎn)換效率高，但同時(shí)對(duì)光學(xué)器件的加工精度要求也高，并且不易靈活控制軌道角 動(dòng)量光束的種類和參數(shù)。b、螺旋相位片法：采用螺旋波帶板或全息光學(xué)轉(zhuǎn)換板將高斯光束 變換為拉蓋爾高斯光束，在這里螺旋波帶板或全息光學(xué)轉(zhuǎn)換板需要特殊加工，且光束經(jīng)過(guò) 這些光學(xué)元件變換損耗也較大。C、計(jì)算全息法：計(jì)算機(jī)全息相位片在有一束高斯光入射時(shí)， 衍射第一級(jí)將產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量彷的拉蓋爾-高斯光束。如果將全息技術(shù)和空間光調(diào)制 器相關(guān)技術(shù)結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生可編程化的衍射光柵，這種方法可以比較方便地調(diào)控任意軌道角 動(dòng)量態(tài)，可是存在很嚴(yán)格的約束條件，而且隨光束階數(shù)升高所得光束就會(huì)嚴(yán)重變形。
[0004] 基于上述產(chǎn)生軌道角動(dòng)量光束的方法還存在一些不足，這是因?yàn)椋诹孔有畔f(xié) 議中，量子態(tài)及量子糾纏態(tài)是整個(gè)量子信息的核心和精髓，而上述方法均無(wú)法有效的獲得 單光子水平的軌道角動(dòng)量態(tài)及軌道角動(dòng)量糾纏態(tài)，極大限制了其在量子信息協(xié)議當(dāng)中的潛 在應(yīng)用。因此，單光子水平的軌道角動(dòng)量態(tài)光束成為人們研宄的重要方向。最近，意大利那 不勒斯大學(xué)的Marrucci等人發(fā)現(xiàn)，利用液晶制作的一種非均勾各向異性的Q-plate可以 巧妙的實(shí)現(xiàn)自旋角動(dòng)量向軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生同一個(gè)光子的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾 纏態(tài)。利用自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)，可以構(gòu)建一個(gè)更高維的希爾伯特空間，實(shí)現(xiàn)高 維量子態(tài)（qudits)編碼，這在量子信息領(lǐng)域，如量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分配、量子計(jì)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(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問(wèn)題。一方面，由于器件材料性能的制約，其混合糾纏 態(tài)轉(zhuǎn)化效率還不是很高，另一方面，光束在經(jīng)過(guò)Q-plate的作用后，自旋-軌道角動(dòng)量混合 糾纏態(tài)和自旋角動(dòng)量?jī)煞N不同性質(zhì)的角動(dòng)量態(tài)同時(shí)存在，要想充分利用自旋-軌道角動(dòng)量 混合糾纏態(tài)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(dòng)量混合糾纏態(tài)。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于為了解決以上的不足，提供了一種自旋-軌道角動(dòng)量混合 糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高純度自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的高效轉(zhuǎn)化，降低 了系統(tǒng)成本。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的所采取的技術(shù)方案是：一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏 態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括單光子源、自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元、自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài) 分離單元和反饋補(bǔ)償單元；所述單光子源用于產(chǎn)生水平偏振單光子，所述自旋-軌道角動(dòng) 量轉(zhuǎn)化單元用于實(shí)現(xiàn)光子自旋角動(dòng)量到軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)化，獲得自旋-軌道角動(dòng)量混合糾 纏態(tài)光子，所述自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元用于對(duì)未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光 子和自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子進(jìn)行分離，所述反饋補(bǔ)償單元用于將分離出的未發(fā) 生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光子反饋傳輸至所述自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元；所述單光子源包括 激光器和衰減器；所述自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)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；所述偏振分束器用于將偏振方向不同的光分開(kāi)，所述第一偏振 控制器用于將所有通過(guò)的偏振單光子調(diào)控輸出為水平偏振單光子，所述Q-plate相位板用 于將第一偏振控制器輸出的水平偏振單光子轉(zhuǎn)化為自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子；所 述自旋_軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元包括第一分束器，所述第一分束器將通過(guò)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(shè)有第一達(dá)夫棱鏡和第一全反 射鏡；所述第二光束所在路徑上依次設(shè)有第二全反射鏡和第二達(dá)夫棱鏡；所述第一光束和 第二光束的交匯處設(shè)有第二分束器；所述反饋補(bǔ)償單元包括依次設(shè)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(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光子經(jīng)所述第二分束器到達(dá) 第三全反射鏡，所述第二偏振控制器用于將所有通過(guò)的偏振光調(diào)控輸出為垂直偏振光。
[0007] 其中單光子源主要用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的水平偏振單光子。
[0008] 進(jìn)一步地，所述Q-plate相位板為Pancharatnam-Berry相位板，其由單軸雙折射 向列液晶材料制成。
[0009] 進(jìn)一步地，所述第一達(dá)夫棱鏡和第二達(dá)夫棱鏡相對(duì)設(shè)置，且在空間上具有夾角。
[0010] 進(jìn)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(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0012] 1、本實(shí)用新型的產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，通過(guò)利用Q-plate的轉(zhuǎn)化作用、達(dá) 夫棱鏡的分離特性并結(jié)合反饋補(bǔ)償方式，實(shí)現(xiàn)了高純度自旋_軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的高 效轉(zhuǎn)化，獲得高純度的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子；該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單光子源光束的 循環(huán)利用，降低了系統(tǒng)成本，提高了產(chǎn)生效率，使自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的高維量子 糾纏特性得以充分利用；
[0013] 2、本實(shí)用新型中用單光子脈沖及量子混合糾纏態(tài)，提高了通信碼率并降低了誤碼 率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性；
[0014] 3、本實(shí)用新型中用軌道角動(dòng)量，可以攜帶更多的信息，可以實(shí)現(xiàn)高維量子態(tài)編 碼；
[0015] 4、本實(shí)用新型能夠產(chǎn)生高純度的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)，使用這種高純度 混合糾纏態(tài)進(jìn)行量子通信和量子計(jì)算誤碼率低，而且受實(shí)驗(yàn)條件限制和不可避免的環(huán)境噪 聲的影響很小。

【附圖說(shuō)明】

[0016]圖1為本實(shí)用新型的自旋_軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型的自旋_軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)的工作流程圖；
[0018] 圖3為本實(shí)用新型中的Q-plate的轉(zhuǎn)化原理示意圖；
[0019] 圖4為本實(shí)用新型中自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元的結(jié)構(gòu)示意圖； [0020] 圖5為圖4分離單元的等效圖；
[0021] 圖6為本實(shí)用新型的自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元中的偏振控制器的示意圖；
[0022] 圖7為本實(shí)用新型的反饋補(bǔ)償單元中的偏振控制器的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說(shuō)明：
[0024] 參照附圖1至附圖7所示，一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括單光子源10、自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元11、自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元 12和反饋補(bǔ)償單元13。
[0025] 所述單光子源10包括激光器和衰減器，用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的水平偏振單光子， 作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。所述自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元11與單光子源10連接，用于實(shí)現(xiàn) 光子自旋角動(dòng)量到軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)化，從而獲得自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子。所述 自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元12與自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元11連接，用于實(shí) 現(xiàn)對(duì)未轉(zhuǎn)化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子的分離。所述反饋補(bǔ)償 單元13分別與自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元11和自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元12 連接，用于實(shí)現(xiàn)將未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振光反饋傳輸回自旋_軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元11，將 未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振光進(jìn)行再轉(zhuǎn)化。
[0026] 其中自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)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用于將不同偏振方向的光分開(kāi)。偏 振控制器111用來(lái)對(duì)偏振光進(jìn)行調(diào)控，將所有通過(guò)偏振分束器110的偏振光都調(diào)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，由單軸雙折 射向列液晶材料制作而成，QP是模擬一種特殊情況下的介質(zhì)環(huán)境，該介質(zhì)是不均勻的而且 是各向異性的，在該介質(zhì)中光和液晶相互作用，根據(jù)單軸液晶的相位原理和雙折射特性，液 晶只起到一個(gè)中間媒介的角色。利用QP可以實(shí)現(xiàn)自旋光束向軌道角動(dòng)量光束的轉(zhuǎn)化，并且 該輸入自旋控制著軌道角動(dòng)量的波前螺旋性。
[0027] 其中自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元12包括第一分束器120,其分束比為 50 :50,用于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(shè)有第一達(dá)夫棱鏡121和第一全反射鏡122,第二光束路徑上依次設(shè)有第二全反射鏡 123和第二達(dá)夫棱鏡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(shè)有第 二分束器125,其分束比為50:50。所述全反射鏡122、123用于反射光束，以改變光束的傳輸 路徑。參照附圖5所不，當(dāng)?shù)谝贿_(dá)夫棱鏡和第二達(dá)夫棱鏡的相對(duì)角度為a時(shí)，達(dá)夫棱鏡的 作用等效于在其中第一光束路徑上加入旋轉(zhuǎn)角為2a的光束旋轉(zhuǎn)器（BeamRotator，BR)， 從而使含有相位項(xiàng)exp(il巾）的光束在兩條光束路徑上產(chǎn)生相應(yīng)的相位差，并在第二分束 器125處發(fā)生相消干涉。經(jīng)過(guò)第二分束器125后得到的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子 從系統(tǒng)輸出端輸出，而未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振光子在第二分束器125處發(fā)生相增干涉，經(jīng) 過(guò)第二分束器125后則進(jìn)入反饋補(bǔ)償單元13中實(shí)現(xiàn)再轉(zhuǎn)化。
[0028] 其中反饋補(bǔ)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位于全反射鏡130和132之間。所述全反射鏡130、132用于 反射光束，以改變光束的傳輸路徑。所述偏振控制器131用于對(duì)經(jīng)第三全反射器130反射 過(guò)來(lái)的輸入偏振光進(jìn)行調(diào)控，將所有通過(guò)的偏振光都調(diào)控輸出為垂直偏振光。
[0029] 本實(shí)用新型產(chǎn)生系統(tǒng)的具體工作原理如下：步驟201:該系統(tǒng)中單光子源10產(chǎn)生 水平偏振單光子|H>;步驟202:每個(gè)水平偏振單光子|H>進(jìn)入自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單 元11，透射過(guò)偏振分束器110,光子進(jìn)入偏振控制器111，如附圖6所示，偏振控制器111 將所有通過(guò)它的偏振光都調(diào)控為水平偏振光|H>輸出，經(jīng)過(guò)偏振控制器111的調(diào)控，再入 射到Q-plate相位板112,將水平偏振單光子|H>轉(zhuǎn)化為自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài) 光子|i]〇HybHd。參照附圖3所不，Q-plate相位板在極坐標(biāo)系中，光軸取向分布表不為： a(r，供)=-+心，其中，q和aQ為兩個(gè)固定常數(shù)，且q= 1/2，a。=〇。在單光子空間中， Q-plate的作用可以用一個(gè)量子算符來(lái)描述：

【權(quán)利要求】
1. 一種自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，包括單光子源、自 旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元、自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元和反饋補(bǔ)償單元； 所述單光子源用于產(chǎn)生水平偏振單光子，所述自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元用于實(shí)現(xiàn)光 子自旋角動(dòng)量到軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)化，獲得自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子，所述自旋-軌 道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元用于對(duì)未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光子和自旋-軌道角動(dòng)量 混合糾纏態(tài)光子進(jìn)行分離，所述反饋補(bǔ)償單元用于將分離出的未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光 子反饋傳輸至所述自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)化單元； 所述單光子源包括激光器和衰減器； 所述自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)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；所述偏振分束器用于將偏振方向不同的光分開(kāi)，所述第一偏振控制器用 于將所有通過(guò)的偏振單光子調(diào)控輸出為水平偏振單光子，所述Q-Plate相位板用于將第一 偏振控制器輸出的水平偏振單光子轉(zhuǎn)化為自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)光子； 所述自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)分離單元包括第一分束器，所述第一分束器將通過(guò) 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(shè)有第一達(dá)夫棱鏡和第 一全反射鏡；所述第二光束所在路徑上依次設(shè)有第二全反射鏡和第二達(dá)夫棱鏡；所述第一 光束和第二光束的交匯處設(shè)有第二分束器； 所述反饋補(bǔ)償單元包括依次設(shè)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(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光子經(jīng)所述第二分束器到達(dá)第三全反射鏡，所述第二偏振控 制器用于將所有通過(guò)的偏振光調(diào)控輸出為垂直偏振光。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，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制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述 第一達(dá)夫棱鏡和第二達(dá)夫棱鏡相對(duì)設(shè)置，且在空間上具有夾角。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋-軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，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(hào)】G02B27-28GK204272131SQ201420732164
【發(fā)明者】郭建軍, 郭邦紅, 程廣明, 張程賢, 范榕華, 張文杰 [申請(qǐng)人]華南師范大學(xué)