[发明专利]一种自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠态产生系统及方法

说明书

本发明公开了一种自旋‑轨道角动量耦合的混合纠缠态产生系统及方法，该系统包括泵浦光源、自旋‑轨道角动量耦合的混合纠缠态转化单元、信号光子分选单元和信号光子模式色散补偿单元。自旋‑轨道角动量耦合的混合纠缠态转化单元获得自旋‑轨道角动量耦合纠缠态光子；分选单元通过分束器、达夫棱镜和全反射镜实现对奇数/偶数l值信号光子的分选；信号光子模式色散补偿单元通过偏振分束器、电光调制器和全反射镜对分选出的信号光子进行光程差的补偿。本发明实现了在传输中不产生模式色散的自旋‑轨道角动量耦合的混合纠缠态光子的制备，降低了传输系统的成本，提高了自旋‑轨道角动量耦合的混合纠缠态光子在实际应用中的效率。

技术领域

本发明属于光纤通信以及量子保密通信领域，具体涉及一种自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠态产生系统及方法。

背景技术

光子具有多种自由度，例如偏振、自旋角动量和轨道角动量。自旋角动量与光子的圆偏振态有关，左旋圆偏振态|L＞(本征值为+h)和右旋圆偏振态|R＞(本征值为-h)为自旋角动量算符的本征态，利用自旋角动量可以构成常见的二维希尔伯特空间。轨道角动量在二十世纪末才被正式发现并通过研究证明单光子中含有确定的轨道角动量l为轨道角动量的特征量子数，l的取值可以为任意整数。理论上轨道角动量的l值取值无限，这也就意味着使用轨道角动量在无限维希尔伯特空间中的编码成为可能。单光子作为信息载体可以通过对轨道角动量的调制实现高维度的希尔伯特空间编码，这极大的提升了单光子可携带的信息量。不过轨道角动量对于传输的要求很高，现有的光纤系统很难满足轨道角动量态光子的传输需求，搭建特定的光纤进行传输成本高昂；由于轨道角动量态光子对大气湍流的变化敏感，在自由空间中传输容易使单光子态发生改变，因此如何使携带轨道角动量的光子进行稳定传输是现在研究的热点领域之一。

量子纠缠是指几个粒子在某种作用下彼此的物理性质相互综合，无法单独描述个体的性质，只能描述整体的性质的现象。量子纠缠构成了现代量子信息技术中不可或缺的重要资源和信息载体。基于物理特性的纠缠态的光子源，在量子信息的各方面，如量子密钥分发、量子隐形传态、量子计算等都起着重要作用。构成纠缠的粒子可以有很多种，如原子，离子等，但由于光子独特的传输特性，纠缠光子更适合于传输量子信息。广义的纠缠不仅在于多光子之间，还存在于同一个光子的不同自由度之间。基于单光子自旋-轨道角动量纠缠态的分析，打破了线性超密集编码的传统极限。

一种频率的光波以不同的角度入射到光纤中，形成不同的模式，每种模式具有不同的轴向速度，因而同时发出的不同模式到达输出端的时间是不相同的，从而导致输出端信号的畸变，这是模式色散现象。模式色散极大的制约了数据传输速率(比特率)。为了避免强的信号畸变，需要使脉冲足够长来保持不同模式间的时间交叠足够多，这样不可避免的也会限制数据速率。在量子通信领域，如果要使轨道角动量态光子在光纤中进行传输，不同l值的光子传输时会有不同的光程，因而也会产生模式色散，从而影响接收端对单光子的接收以及解码。因此若想在光纤中进行携带轨道角动量光子的传输，模式色散是一个亟需克服的问题。

中国专利CN201410361012提出了一种自旋-轨道角动量混合调制的量子密钥分发方法与系统，实现了利用自旋-轨道角动量的混合纠缠态进行大容量的量子密钥分发，但其轨道角动量量子态在传输时易产生信号畸变。

自旋-轨道角动量耦合的纠缠态光子在量子通信中具有鲜明的特点与很高的实用度。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，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，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。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题。

为此，本发明的目的在于提供一种自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠态产生系统及方法，该系统及方法能够产生抗模式色散的纠缠态光子。