[实用新型]一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统

说明书

技术领域

本实用新型属于光通信与量子信息领域，具体涉及一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统。

背景技术

早在1909年人们就意识到，光子可以携带自旋角动量，自旋角动量与光子的圆偏振态相关，左旋圆偏振态|L>和右旋圆偏振态|R>作为自旋角动量算符的本征态，分别携带有的自旋角动量，因此，利用光子的自旋角动量可以构建一个二维希尔伯特空间，并将信息编码在这个二维空间中。然而直到1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队才从理论上首次证明光子可以携带另一种形式的角动量—光子轨道角动量，研究表明，每个单光子中含有确定的轨道角动量其中l为轨道角动量的特征量子数，可以取任意整数，l值不同时代表不同的轨道角动量阶数，由于不同阶数的轨道角动量之间彼此相互正交，因此利用光子轨道角动量作为信息的载体可以将信息编码在一个高维希尔伯特空间中。研究也发现，携带轨道角动量的光束不仅具有独特的动力学特性和轨道角动量拓扑结构，而且还具有特殊的螺旋型波前结构和光场相位奇点，这在量子信息协议及自由空间光通信领域具有重要研究价值。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。因此，人们致力于研究各种产生具有轨道角动量光束的方法。

目前，轨道角动量的产生主要有以下几种方法：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。

基于上述产生轨道角动量光束的方法还存在一些不足，这是因为，在量子信息协议中，量子态及量子纠缠态是整个量子信息的核心和精髓，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，极大限制了其在量子信息协议当中的潜在应用。因此，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。最近，意大利那不勒斯大学的Marrucci等人发现，利用液晶制作的一种非均匀各向异性的Q-plate可以巧妙的实现自旋角动量向轨道角动量的转化，产生同一个光子的自旋-轨道角动量混合纠缠态。利用自旋-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，如量子隐形传态、量子密钥分配、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在实际应用中也还存在一些问题。一方面，由于器件材料性能的制约，其混合纠缠态转化效率还不是很高，另一方面，光束在经过Q-plate的作用后，自旋-轨道角动量混合纠缠态和自旋角动量两种不同性质的角动量态同时存在，要想充分利用自旋-轨道角动量混合纠缠态的高维量子纠缠特性，必须想办法使二者分离，以获得高纯度的自旋-轨道角动量混合纠缠态。

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，提供了一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的产生系统，该系统实现了高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态的高效转化，降低了系统成本。