[发明专利]一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统及方法

权利要求书

1.一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，包括单光子源、自旋-轨道角动量转化单元、自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元和反馈补偿单元；

所述单光子源用于产生水平偏振单光子；所述自旋-轨道角动量转化单元用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离；所述反馈补偿单元用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化单元。

2.根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述单光子源包括激光器和衰减器。

3.根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述自旋-轨道角动量转化单元包括依次连接的偏振分束器、偏振控制器和Q-plate相位板；

所述偏振分束器用于将偏振方向不同的光分开；所述偏振控制器用于将所有通过的偏振单光子调控输出为水平偏振单光子；所述Q-plate相位板用于将偏振控制器输出的水平偏振单光子转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。

4.根据权利要求3所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述Q-plate相位板为Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。

5.根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第二光束的交汇处设有第二分束器。

6.根据权利要求5所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。

7.根据权利要求5所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，其特征在于，所述反馈补偿单元包括依次设置的第三全反射镜、偏振控制器和第四全反射镜；所述未发生转化的水平偏振单光子经过第二分束器后依次通过所述第三全反射镜、偏振控制器和第四全反射镜，所述偏振控制器用于将所有通过的偏振光调控输出为垂直偏振光。

8.一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)水平偏振单光子的产生：使用单光子源产生水平偏振单光子；

(2)自旋-轨道角动量转化：所述水平偏振单光子进入自旋-轨道角动量转化单元，水平偏振单光子依次经过偏振分束器和偏振控制器，偏振控制器将所有通过它的偏振光调控为水平偏振光，然后水平偏振光经过Q-plate相位板被转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子；

(3)自旋-轨道角动量混合纠缠态分离：经步骤(2)转化得到的光子进入自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元，将所述光子中的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子和未发生转化的水平偏振单光子进行分离；

(4)未发生转化的水平偏振单光子的反馈补偿：分离出来的未转化的水平偏振单光子进入反馈补偿单元，反馈补偿单元中的偏振控制器将水平偏振单光子调控为垂直偏振单光子，然后垂直偏振单光子进入偏振分束器，重复步骤(2)和(3)，进一步转化产生自旋-轨道角动量混合纠缠态光子。

9.根据权利要求8所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述自旋-轨道角动量混合纠缠态分离单元中的第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜，所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；

第一光束在第一达夫棱镜作用下产生相位差，然后经过第一全反射镜，光束的传播方向改变90度；第二光束经第二全反射镜反射，光束传播方向改变90度后到达第二达夫棱镜，产生相位差；含有相位差的第一光束和第二光束经过第二分束器，其中的自旋-轨道角动量混合纠缠态光子直接输出，未发生转化的水平偏振单光子进入反馈补偿单元。

10.根据权利要求9所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生方法，其特征在于，所述步骤(4)中，未发生转化的水平偏振单光子首先经过第三全反射镜，将光束传播方向改变90度后进入所述偏振控制器，偏振控制器输出的垂直偏振方向的光子再经过第四全反射镜，光束传播方向改变90度后进入偏振分束器。