光子径向模式:光场调控及量子信息应用进展

光子横向空间模式包括角向模式和径向模式两个自由度,它们都可以用来构建一个高维的Hilbert空间。在过去20年里,角向模式如光子轨道角动量已经得到了深入的研究,并被广泛应用于经典光学和量子信息领域。然而,目前关于径向模式的研究还比较缺乏,尚处于探索阶段,因此径向模式量子数一度被称为“被遗忘的量子数”。由于光子径向模式具有独特的光场特性,故近年来科学家们对它的研究兴趣与日俱增。系统介绍了高阶径向模式的制备、探测与调控技术,特别是光子径向模式间的量子纠缠关联特性及其在量子力学基本问题检测和高维量子信息领域处理中的应用研究进展。     

基于自发参量下转换的光子轨道角动量量子纠缠

作为光子重要自由度之一,轨道角动量(OAM)在光量子信息研究中占据着重要地位。将其与偏振等光子的其他自由度相结合,可实现多自由度光量子信息处理。此外,由于其具有天然的离散高维属性,故其是开展高维量子信息处理研究的最佳自由度之一。基于自发参量下转换非线性光学过程能够便捷地获得OAM纠缠源。近年来,光子OAM量子纠缠的研究受到了广泛关注,在多自由度、高维和多光子等多个方向都取得了重要进展。然而,该领域尚有诸多悬而未决的关键科学问题亟须深入研究,包括如何实现高效高质的OAM分离,如何实现更高维度的频率转换,如何提升多自由度纠缠源的品质,如何获得更多维度、更多光子的高维纠缠态以及如何构建可行的高维量子门等。从光子OAM最基本的二维操纵着手,综述了单光子OAM量子态调控、双光子及多光子OAM纠缠操纵。围绕多自由度、大角动量和高维等特性,从生成、调控、测量及应用等角度系统讨论了光子OAM量子纠缠。同时,探索了解决本方向关键科学问题的一些可能解决途径。     

利用Sagnac干涉仪实现光子轨道角动量分束器

光子轨道角动量量子态具有高维和光学涡旋特性, 在经典和量子领域展示出了巨大的应用潜力, 目前对其的研究已成为物理学的一个热点. 本实验研究了利用Sagnac干涉仪干涉的方法将具有不同轨道角动量的光束无破坏地分离到不同的路径, 即实现光子轨道角动量分束器. 实验中利用此分束器验证了对几种不同轨道角动量态(包含叠加态)的分离, 得到了与理论预期相符的实验结果. 这种对轨道角动量态的区分的方法相比已有的其他区分方法具有较好的稳定性, 而且可用于区分叠加态, 也可以达到单光子水平, 最重要的是实现了不同的轨道角动量本征态无破坏的与路径比特耦合. 这种新方法对高密度通信、量子纠缠、量子保密通信、量子计算与量子信息等方面有着重要的意义.     

光子轨道角动量纠缠实现量子存储

中国科学技术大学郭光灿院士带领的中科院量子信息重点实验室史保森小组在高维量子中继研究方向取得重要进展,首次在国际上实现了光子轨道角动量纠缠的量子存储,进一步证明了基于高维量子中继器实现远距离大容量量子信息传输的可行性。相关研究已发表于《物理评论快报》。     

轨道角动量模式识别方法综述

光子轨道角动量具有涡旋和高维特性,在经典和量子领域有巨大应用潜力,目前在光学系统中有多种轨道角动量识别方法,常见的方法有以下8种:干涉仪法、镜像干涉法、平面波干涉法、角双缝干涉法、三角孔衍射法、计算全息光栅法、光学几何变换法和旋转多普勒效应法.本文详细介绍了8种方法的实验原理、实验装置、实验结果及现阶段的研究成果.     

用叉形光栅实现光子轨道角动量的叠加态的测量

Laguerre-Gaussian(LG)模是光子的轨道角动量的本征态.提出了用一种特殊的光栅——“分数阶叉形光栅”来实现两种LG模的叠加，它在以光子角动量为编码空间的高维量子通信领域存在潜在的应用. 关键词： Laguerre-Gaussian(LG)模 叉形光栅     

基于轨道角动量的多自由度W态纠缠系统

提出了一种制备三光子纠缠W态的方案, 该方案利用携带轨道角动量为lħ的光子(其中l可取(-∞, +∞)的任意整数)可构成无穷维向量空间的特性, 采用两种类型的参量下转换, 产生轨道角动量-自旋角动量纠缠的两对光子和一对偏振纠缠光子, 通过纠缠交换制备三光子多自由度的W态, 实现三光子体系纠缠的高维度、大容量量子信息处理. 方案采用q-plate相位光学器件和单模光纤等器件制备两个不同自由度(轨道角动量与偏振)混合的W态, 并利用计算机全息相位图改进方案制备三个不同自由度(轨道角动量、线动量和偏振)混合的W态. 本方案可稳定产生两种等概率互为对称的W态, 具有高维度、强纠缠特性与抗比特丢失能力, 信息量达log₂^m+2比特(m为l的可取值个数), 有望实现可扩容量子比特的安全通信.     

海洋湍流对光子轨道角动量量子通信的影响

本文研究了基于光子轨道角动量的量子通信在水下量子信道中受海洋湍流运动的影响.基于Elamassie等提出的海洋湍流功率谱模型,本文建立了不同海洋湍流参数与光子轨道角动量量子通信的单光子探测概率、信道容量、密钥产生率以及双光子共生纠缠度的定量关系,并利用纠缠光子对的共生纠缠度在海洋湍流中的普适衰减特性进一步研究了轨道角动量纠缠光子对在海洋湍流中的最大纠缠距离.研究结果表明:水下量子通信性能和纠缠光子对的共生纠缠度都随海洋湍流的湍流动能耗散率的增大或温度方差耗散率的减小而降低;温度和盐度因素对海洋湍流贡献的比值对水下量子通信的影响在海水是否稳定分层的条件下具有显著的区别;在通过海洋湍流进行量子通信时,增加信号光子的初始轨道角动量量子数可以提高量子密钥分发的密钥产生率和纠缠光子的纠缠衰减抵抗性.     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

光子两自由度超并行量子计算与超纠缠态操控

光子系统在量子信息处理和传输过程中有非常重要的应用. 譬如, 利用光子与原子(或人工原子)之间的相互作用, 可以完成信息的安全传输、存储和快速的并行计算处理等任务. 光子系统具有多个自由度, 如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等自由度. 光子系统的多个自由度可以同时应用于量子信息处理过程. 超并行量子计算利用光子系统多个自由度的光量子态同时进行量子并行计算, 使量子计算具有更强的并行性, 且需要的量子资源少, 更能抵抗光子数损耗等噪声的影响. 多个自由度同时存在纠缠的光子系统量子态称为超纠缠态, 它能够提高量子通信的容量与安全性, 辅助完成一些重要的量子通信任务. 在本综述中, 我们简要介绍了光子系统两自由度量子态在量子信息中的一些新应用, 包括超并行量子计算、超纠缠态分析、超纠缠浓缩和纯化三个部分.     

优化抽运空间分布实现连续变量超纠缠的纠缠增强

超纠缠近年来受到人们广泛的关注,其在量子信息和量子通信领域具有非常重要的作用.在Liu等(2014 Phys. Rev. Lett. 113 170501)的工作中,他们利用二类相位匹配的非简并光学参量放大器获得了约1.00 dB的同时具有轨道角动量和自旋角动量纠缠的连续变量超纠缠态.在此基础上,本文通过进一步分析抽运模式与下转换模式间的纠缠关系,优化了抽运空间构造.实验结果表明,相比Liu等利用高斯基模做抽运场,使用优化的抽运模式时轨道角动量纠缠和自旋角动量纠缠的不可分度分别提高了96.2%和96.3%,最终将超纠缠态的纠缠度提高到了(4.00±0.02) dB,为连续变量超纠缠态的进一步应用奠定了基础.     

Shared aperture metasurface antenna for electromagnetic vortices generation with different topological charges

Vortex beams carrying orbital angular momentum (OAM) have aroused great interest of both scientific and engineering communities. Encouragingly, generating OAM with different topological charges in a shared aperture is regarded as a potential route to expanding the communication capacity, which yet is an academic challenging task. In this work, a paradigm of designing metasurface-based shared aperture antenna for generating polarization-dependent vortex beams with distinct topological charges is proposed. Anisotropic unit cells that can tailor different resonance phase profiles in two orthogonal orientations are used to assemble a metasurface reflector. As a proof-of-concept, a planar reflector antenna is designed with two Vivaldi sources, which can generate x- and y-polarized vortex beams with topological charges of l=-1 and l=-2, respectively. Both the simulation results and the measurement results are in good agreement, which demonstrates the feasibility of our design. Significantly, this work provides a new route to achieving vortex beams carrying different topological charges in the same frequency band, which may have potential applications in communication systems.     

高阶椭圆厄密–高斯光束的轨道角动量研究

从傍轴条件下光束轨道角动量的基本理论出发,根据高阶椭圆厄密–高斯光束的光场分布,运用张量方法,对高阶椭圆厄密-高斯光束轨道角动量的密度分布进行了理论分析,得到了求解该密度分布的计算公式,并在给定参量条件下作了数值模拟.进一步对光束中每个光子携带的平均轨道角动量进行了计算,发现其值随着椭圆厄密-高斯光束阶次的增大而增大,表明高阶椭圆厄密-高斯光束能够比椭圆高斯光束或拉盖尔-高斯光束提供高得多的轨道角动量.     

Rotation of laser beams with zero of the orbital angular momentum

We show that among the multitude of rotating light beams whose complex amplitude can be represented as a linear superposition of the Laguerre-Gaussian (LG) modes with definite numbers there are light beams with zero orbital angular momentum (OAM) and vice versa, multi-mode LG beams that show no rotation and are lacking the radially symmetric intensity distribution can possess the non-zero OAM. Also, we give examples of the rotating light beams with zero OAM, represented as a superposition of the Bessel and new hypergeometric modes. Using an SLM, we generate a rotating Bessel beam with zero OAM for the first time.     

Entanglement swapping with pure orbital angular momentum Bell-state analysis

We investigate a framework of an orbital angular momentum (OAM) entanglement swapping in a multi-dimensional Hilbert space with the spin angular momentum (SAM)-based orbital angular momentum (OAM) Bell-sate analysis. By the implementations of entanglement swapping with the SAM and OAM Bell-state measurements subsequently, the OAM entanglement states (qudits) are generated and then transferred between photons in multi-dimensional Hilbert space in a point-to-point fashion. In the proposed scheme, two pairs of the SAM-based OAM hybrid entanglement photons are deployed to conduct the successive SAM and OAM Bell-state measurements. It provides an alternative technique to transfer pure OAM Bell-states in qudits, which illustrates a possible experimental approach for devising a full repeater in a complex quantum computation network where entanglement swapping serves as a critical constituent.     

Intra-Cavity Laser Manipulation of High-Dimensional Non-Separable States

Non-separable states of structured light have the analogous mathematical forms with quantum entanglement, which offer an effective way to simulate quantum process. However, the classical multi-partite non-separable states analogue to multi-particle entanglements can only be controlled by bulky free-space modulation of light through coupling multiple degrees of freedom (DoFs) with orbital angular momentum (OAM) to achieve high dimensionality and other DoFs to emulate multi-parties. In this paper, a scheme is proposed to directly emit multi-partite non-separable states from a simple laser cavity to mimic multi-particle quantum entanglement. Through manipulating three DoFs as OAM, polarization, and wavevector inside a laser cavity, the eight-dimensional (8D) tripartite states and all Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)-like states can be generated and controlled on demand. In addition, an effective method is proposed to perform state tomography employing convolutional neural network (CNN), for measuring the generated GHZ-like states with highest fidelity up to 95.11%. This work reveals a feasibility of intra-cavity manipulation of high-dimensional multipartite non-separable states, opening a compact device for quantum-classical analogy and paving the path for advanced quantum scenarios.     

Generalized high-order twisted partially coherent beams and their propagation characteristics

Twist phase is a nontrivial statistical phase that only exists in partially coherent fields, which makes the beam carry orbital angular momentum (OAM). In this paper, we introduce a new kind of partially coherent beams carrying high-order twist phase, named generalized high-order twisted partially coherent beams (GHTPCBs). The propagation dynamics such as the spectral density and OAM flux density propagating in free space are investigated numerically with the help of mode superposition and fast Fourier transform (FFT) algorithm. Our results show that the GHTPCBs are capable of self-focusing, and the beam spot during propagation exhibits teardrop-like or the diamond-like shape in some certain cases. Moreover, the influences of the twist order and the twist factor on the OAM flux density during propagation are also illustrated in detail. Finally, we experimentally synthesize the GHTPCBs with controllable twist phase by means of pseudo-mode superposition and measure their spectral density during propagation. The experimental results agree well with the theoretical predictions. Our studies may find applications in nonlinear optics and particle trapping.     

螺旋相位光束轨道角动量态测量的实验研究

对螺旋光束的轨道角动量态的测量技术进行了实验研究.建立了一套利用Mach-Zehnder干涉仪测量光束轨道角动量态的系统,对利用空间光调制器生成的携带不同轨道角动量的光束进行了测量,通过Mach-Zehnder干涉仪分离出了具有不同角量子数的螺旋光束. 关键词： 轨道角动量 空间光调制器 Mach-Zehnder干涉仪