[发明专利]一种单光子双自由度纠缠产生与测量实验装置

说明书

本发明涉及量子信息及通信领域，具体是涉及一种单光子双自由度纠缠产生与测量实验装置。装置包括沿光路方向依次设置的关联光子源模块和纠缠态制备模块；关联光子源模块，用于生成自旋单光子束；纠缠态制备模块，用于将自旋单光子束生成自旋轨道角动量纠缠态的单光子束，自旋轨道角动量纠缠态即双自由度纠缠。本发明通过单光子的自旋和轨道角动量建立信息载体，能够构建无限维希尔伯特空间，而不局限于二维希尔伯特空间，使得单光子的自旋和轨道角动量相互配合，可承载无穷个比特信息，以此提高了量子通信的应用领域。

技术领域

本发明涉及量子信息及通信领域，具体是涉及一种单光子双自由度纠缠产生与测量实验装置。

背景技术

量子纠缠作为量子物理世界中的独特资源,它的出现改变了我们信息处理的方式。在量子通信相关领域，通常将两个光子的偏振自由度作为信息载体以体现量子纠缠，但偏振自由度只在二维希尔伯特空间实现对量子的编码，因此限制了量子通信的应用领域。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单光子双自由度纠缠产生与测量实验装置，通过引入光子轨道角动量，单个光子就可以作为信息载体，以此提高了量子通信的应用领域。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种单光子双自由度纠缠产生与测量实验装置，装置包括沿光路方向依次设置的关联光子源模块和纠缠态制备模块；

所述关联光子源模块，用于生成自旋单光子束；

所述纠缠态制备模块，用于将自旋单光子束生成自旋轨道角动量纠缠态的单光子束，自旋轨道角动量纠缠态即双自由度纠缠。

进一步，所述纠缠态制备模块包括沿关联光子源模块生成的自旋单光子束的光路方向依次设置的第二调制单元、轨道角动量单元；

所述第二调制单元，用于调整关联光子源模块生成的自旋单光子束的相位和光强；

所述轨道角动量单元，用于将第二调制单元射出的自旋单光子束生成自旋轨道角动量纠缠态的单光子束。

进一步，所述第二调制单元包括沿光路方向依次设置的第二四分之一波片、第二半波片和第三偏振分束器。

进一步，装置还包括量子态层析模块，所述量子态层析模块包括沿纠缠态制备模块生成的自旋轨道角动量纠缠态的单光子束的光路方向依次设置的第三透镜、第四四分之一波片、第三半波片、第四偏振分束器、第四透镜、空间光相位调制器；所述空间光相位调制器，用于和已知轨道角动量的横向相位图相互配合以获知纠缠态制备模块制备出的自旋轨道角动量单光子束的轨道角动量；

所述第三透镜和第四透镜的焦距相等，所述第三透镜和第四透镜沿光路方向的间距为两倍的该焦距；所述第三透镜和轨道角动量单元沿光路方向的间距为一倍的该焦距；所述空间光相位调制器与第四透镜沿光路方向的间距为一倍的焦距。

进一步优选的，所述量子态层析模块还包括第五透镜和第六透镜；所述空间光相位调制器与纠缠态制备模块制备出的自旋轨道角动量单光子束的光路方向之间设置有夹角，用于使空间光相位调制器对自旋轨道角动量单光子束的反射方向偏离入射方向，所述第五透镜和第六透镜沿反射方向依次设置；

所述第五透镜的焦距和第六透镜的焦距相等，且等于第三透镜的焦距和第四透镜的焦距，第五透镜和第六透镜沿反射方向的间距为两倍的该焦距，空间光相位调制器和第五透镜沿反射方向的间距为一倍的该焦距；

所述关联光子源模块生成的自旋单光子束包括两组自旋单光子束，两组自旋单光子束构成关联光子束，其中一组射入至纠缠态制备模块；该装置还包括光子探测模块，另一组自旋单光子束射入至光子探测模块；所述光子探测模块，用于获取量子态层析模块经第六透镜射出的自旋单光子束与关联光子源模块生成的另一组自旋单光子束构成的关联光子对。