一種自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實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(tài)相關(guān)，左旋圓偏振態(tài)|l>和右旋圓偏振態(tài)|r>作為自旋角動量算符的本征態(tài)，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(gòu)建一個二維希爾伯特空間，并 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(xué)的Allen團(tuán)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為軌道角動量的特征量子數(shù)，可以取任意整數(shù)，1值不同 時代表不同的軌道角動量階數(shù)，由于不同階數(shù)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(fā) 現(xiàn)，攜帶軌道角動量的光束不僅具有獨(dú)特的動力學(xué)特性和軌道角動量拓?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 重要研宄價值。之后，光子的軌道角動量開始成為光學(xué)領(lǐng)域的一個研宄熱點(diǎn)。因此，人們致 力于研宄各種產(chǎn)生具有軌道角動量光束的方法。
[0003] 目前，軌道角動量的產(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，但同時對光學(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 這些光學(xué)元件變換損耗也較大。C、計算全息法：計算機(jī)全息相位片在有一束高斯光入射時， 衍射第一級將產(chǎn)生具有軌道角動量彷的拉蓋爾-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)升高所得光束就會嚴(yán)重變形。
[0004] 基于上述產(chǎn)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(xié) 議中，量子態(tài)及量子糾纏態(tài)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(tài)及軌道角動量糾纏態(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 巧妙的實現(xiàn)自旋角動量向軌道角動量的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生同一個光子的自旋-軌道角動量混合糾 纏態(tài)。利用自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)，可以構(gòu)建一個更高維的希爾伯特空間，實現(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(yīng)用中也還存在一些問題。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Q-plate的作用后，自旋-軌道角動量混合 糾纏態(tài)和自旋角動量兩種不同性質(zhì)的角動量態(tài)同時存在，要想充分利用自旋-軌道角動量 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 動量混合糾纏態(tài)。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型的目的在于為了解決以上的不足，提供了一種自旋-軌道角動量混合 糾纏態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了高純度自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)的高效轉(zhuǎn)化，降低 了系統(tǒng)成本。
[0006] 為了實現(xiàn)本實用新型目的所采取的技術(shù)方案是：一種自旋-軌道角動量混合糾纏 態(tài)的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括單光子源、自旋-軌道角動量轉(zhuǎn)化單元、自旋-軌道角動量混合糾纏態(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 量轉(zhuǎn)化單元用于實現(xiàn)光子自旋角動量到軌道角動量的轉(zhuǎn)化，獲得自旋-軌道角動量混合糾 纏態(tài)光子，所述自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)分離單元用于對未發(fā)生轉(zhuǎn)化的水平偏振單光 子和自旋-軌道角動量混合糾纏態(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，所述第一偏振 控制器用于將所有通過的偏振單光子調(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-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子；所 述自旋_軌道角動量混合糾纏態(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，本實用新型的有益效果在于：
[0012] 1、本實用新型的產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，通過利用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，實現(xiàn)了高純度自旋_軌道角動量混合糾纏態(tài)的高 效轉(zhuǎn)化，獲得高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態(tài)光子；該系統(tǒng)實現(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、本實用新型中用軌道角動量，可以攜帶更多的信息，可以實現(xiàn)高維量子態(tài)編 碼；
[0015] 4、本實用新型能夠產(chǎn)生高純度的自旋-軌道角動量混合糾纏態(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算誤碼率低，而且受實驗條件限制和不可避免的環(huán)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(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)的工作流程圖；
[0018] 圖3為本實用新型中的Q-plate的轉(zhuǎn)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(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為本實用新型的自旋-軌道角動量轉(zhuǎn)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(bǔ)償單元中的偏振控制器的示意圖