一种自旋-轨道角动量混合纠缠单光子产生装置及调制方法

技术领域

本发明涉及单光子制备领域，具体涉及一种自旋-轨道角动量混合纠缠单光子产生装置及调制方法。

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。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。因此，需要对现有技术进行改进提出精度更好的自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子生成系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，提出了一种光路简单且稳定、光束精度高、能量效率高的自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子的装置及调制方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种产生自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子的装置，包括泵浦光源、光衰减片、起偏器、第一偏振分束器、四分之一波片、第二偏振分束器、第一法拉第旋转镜、第一达夫棱镜、螺旋相位板、反射镜、半波片、第二达夫棱镜和第二法拉第旋转镜，

其中，所述泵浦光源、光衰减片、起偏器、第一偏振分束器、四分之一波片、第二偏振分束器通过光纤依次连接；

所述第二偏振分束器的设置有垂直光出口和水平光出口；

所述水平光出口通过光纤与依次与第一法拉第旋转镜、第一达夫棱镜、螺旋相位板、反射镜、半波片、第二达夫棱镜、第二法拉第旋转镜以及垂直光出口连接；所述第一偏振分束器又与所述螺旋相位板通过光纤连接。

优选地，所述第二偏振分束器用于将入射的圆偏振光分别在水平和垂直分量上等比例分成两束光，第一束光通过水平光出口进入到第一法拉第旋转镜处偏振态旋转为垂直偏振态；第二束光在通过垂直光出口进入到第二法拉第旋转镜处偏振态旋转为水平偏振态。

优选地，所述螺旋相位板进入的所述第一束光和第二束光均转化为自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子。

优选地，所述所述第一束光和第二束光在光路中传输最后在第二偏振分束器处汇合，合束后的光生成水平偏振态单光子。

优选地，所述水平偏振态单光子的光子态|ψ>表示为：

其中，|L>表示左旋圆偏振态，|R>和右旋圆偏振态,l为轨道角动量的特征量子数。

优选地，所述泵浦光源用于产生连续的高斯光束；所述光衰减片用于将高斯光束衰减为单光子强度。

优选地，起偏器用于将衰减后的单光子转化为水平偏振光。

优选地，所述第一偏振分束器用于将未转化的单光子重新送回螺旋相位板处产生轨道角动量分量。

优选地，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜分别用于将入射的光旋转90°；所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的相对角度α的值为π/2，用于旋转轨道角动量光子。

优选地，半波片用于将入射的线偏振光旋转180。

一种自旋-轨道角动量混合纠缠单光子调制方法，应用了上述的一种自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子的产生装置，该方法包括以下步骤：

步骤201泵浦光源产生：泵浦光源产生连续的高斯光束，进入光衰减片；

步骤202单光子调制与补偿：高斯光束进入光衰减片衰减为单光子强度，随后入射至起偏器将单光子态转化为水平偏振态；水平偏振态单光子进入第一偏振分束器后透射离开，随后进入四分之一波片转化为圆偏振态，进入第二偏振分束器；

步骤203自旋-轨道角动量耦合纠缠态预先控制：圆偏振态光子在第二偏振分束器处分为两束，第一束为水平偏振态透射经过第二偏振分束器，第二束为垂直偏振态反射经过第二偏振分束器。两束光分别依次经过法拉第旋转镜与达夫棱镜，第一束光在法拉第旋转镜处偏振态旋转为垂直偏振态，第二束光在法拉第旋转镜处偏振态旋转为水平偏振态，再在达夫棱镜处旋转180°完成自旋-轨道角动量耦合的准备，进入螺旋相位板；

步骤204自旋-轨道角动量耦合纠缠态转化：准备好后的光子进入螺旋相位板转化为自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子进行转化，进入半波片后第一束光垂直偏振态转化为水平偏振态，第二束光将水平偏振态转化为垂直偏振态；在达夫棱镜处两束光产生π的相位差，随后在法拉第旋转镜处重新将第一束光偏振态旋转为垂直偏振态、第二束光偏振态旋转为水平偏振态，随后两束光在第二偏振分束器处汇合，变为水平偏振态单光子透射作为输出态。

优选地，在所述步骤204中，未发生转化的单光子合束后没有相位差的产生，其偏振态为垂直偏振态，在第二偏振分束器处反射重新回到第一偏振分束器，再在第一偏振分束器处反射重新回到螺旋相位板内再次进行转化。

本发明有益的技术效果：本技术通过使用Sagnac环装置建立了一套自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子循环系统，通过对其中的光子态进行区别与分选持续输出符合系统要求的光子态，提供了一种效率更高的自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子产生方案，能够有效利用系统的光子生成效率并生成高纯度的自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子态。

附图说明

图1为本发明的整体原理框图；

图2为本发明调制方法的步骤原理图。

附图中各部件对应的标号如下：

泵浦光源-1、光衰减片-2、起偏器-3、第一偏振分束器-4、四分之一波片-5、第二偏振分束器-6、第一法拉第旋转镜-7、第一达夫棱镜-8、螺旋相位板-9、反射镜-10、半波片-11、第二达夫棱镜-12、第二法拉第旋转镜-13。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

如图1所示，一种产生自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子的装置，包括泵浦光源1、光衰减片2、起偏器3、第一偏振分束器4、四分之一波片5、第二偏振分束器6、第一法拉第旋转镜7、第一达夫棱镜8、螺旋相位板9、反射镜10、半波片11、第二达夫棱镜12和第二法拉第旋转镜13。

各部件之间的连接关系为：

泵浦光源1、光衰减片2、起偏器3、第一偏振分束器4、四分之一波片5和第二偏振分束器6通过光纤依次连接；

第二偏振分束器的设置有垂直光出口61和水平光出口62；

所述水平光出口61通过光纤与依次与第一法拉第旋转镜7、第一达夫棱镜8、螺旋相位板9、反射镜10、半波片11、第二达夫棱镜12、第二法拉第旋转镜13以及垂直光出口62连接，形成一个闭环。所述第一偏振分束器4又与所述螺旋相位板9通过光纤连接。

其中，各个部件的功能如下：

泵浦光源1用于产生连续的高斯光束，作为系统的输入信号；光衰减片2用于将高斯光束衰减为单光子强度；起偏器3用于将衰减后的单光子转化为水平偏振光；第一偏振分束器4一方面用于将水平偏振光将转化成线偏振光传输到四分之一波片，另一方面用于将未转化的水平偏振光传输到螺旋相位板9处产生轨道角动量分量；四分之一波片5用于将线偏振光转化为圆偏振光入射到第二偏振分束器6；第二偏振分束器6用于将入射的圆偏振光分别在水平和垂直分量上等比例分成两束光；第一法拉第旋转镜7和第二法拉第旋转镜13分别用于将入射的光旋转90°；第一达夫棱镜8和第二达夫棱镜12的相对角度为α时，达夫棱镜的作用等效于在其中第一光束路径上加入旋转角为2α的光束旋转器(Beam Rotator，BR)，从而使含有相位项exp(ilφ)的光束在两条光束路径上产生数值为2lα的相位差，本实施例中第一达夫棱镜8和第二达夫棱镜12的相对角度α的值为π/2，用于旋转轨道角动量光子；半波片用于将入射的线偏振光旋转180°。

其中，第二偏振分束器6用于分成两束光，第一束光通过水平光出口61进入到第一法拉第旋转镜7处偏振态旋转为垂直偏振态；第二束光在通过垂直光出口62进入到第二法拉第旋转镜13处偏振态旋转为水平偏振态。第一和第二法拉第旋转镜由铋铁石榴石(BIG)薄膜构成，其周围有稀土磁铁产生的外部磁场。单次通过法拉第旋转元件会使光的偏振方向旋转45°。在法拉第旋转元件后放置一面平面镜，以入射的角度将光反射回去；光再次穿过法拉第旋转元件，重新进入输入光纤的光的偏振方向旋转了90°，或正交于入射偏振方向。

具体地，螺旋相位板9将进入的所述第一束光和第二束光均转化为自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子。螺旋相位板9也称为涡旋相位片，其光学厚度与方位角的旋转成比例，是一种独特的相位型衍射元件，独特在于它的表面结构呈现的是一个“螺旋阶梯”的结构，“阶梯”从底部到顶部的结构设计基于入射激光波长和光学指数的函数。当入射光束通过螺旋相位板时，螺旋相位板表面结构使透射光束光程的改变量不同，即透射光束相位的改变量也不同，因此产生涡旋光。涡旋光是一种特殊的光场，带有轨道角动量的新型光场，作为有前景且应用广泛的光载体，如何方便高效产生涡旋光更是研究的一个重要方向，相比于其他的产品或方法，螺旋相位板的优势在于光路简单且稳定、输出涡旋光束精度高、高能量效率(大于90％)和高损伤阈值。

本实施例的工作过程如下：

泵浦光源1产生连续的高斯光束，高斯光束1进入光衰减片2强度衰减为单光子强度，衰减后的单光子进入起偏器3由自然光转化为水平偏振态|H>，转化后的水平偏振态单光子透射经过第一偏振分束器4，在四分之一波片5处转化为圆偏振态，圆偏振态的单光子在第二偏振分束器6处分为两束，第一束为水平偏振态透射经过第二偏振分束器6，第二束为垂直偏振态反射经过第二偏振分束器6。

其中第一束光依次经过第一法拉第旋转镜7、第一达夫棱镜8、螺旋相位板9、反射镜10、半波片11、第二达夫棱镜12和第二法拉第旋转镜13；

第二束光依次经过第二法拉第旋转镜13、第二达夫棱镜12、半波片11、反射镜10、螺旋相位板9、第一达夫棱镜8和第一法拉第旋转镜7。

第一束光在第一法拉第旋转镜7处偏振态旋转为垂直偏振态，经过第一达夫棱镜7旋转180°后，进入螺旋相位板转化9为自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子，转化后的纠缠光子进入半波片10将垂直偏振态转化为水平偏振态，在第二达夫棱镜处12与第二束光产生π的相位差，随后在第二法拉第旋转镜13处重新将水平偏振态旋转为垂直偏振态。

第二束光在第二法拉第旋转镜13处偏振态旋转为水平偏振态，经过第二达夫棱镜12旋转180°后，进入螺旋相位板9转化为自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子，转化后的纠缠光子进入半波片11将水平偏振态转化为垂直偏振态，在第一达夫棱镜8处与第一束光产生π的相位差，随后在第一法拉第旋转镜7处重新将垂直偏振态旋转为水平偏振态。两束光在第二偏振分束器6处汇合，由于产生了π的相位差，所以合束后的光变为水平偏振态单光子透射离开第二偏振分束器6作为输出态。该光子态可以表示为：

其中，|L>表示左旋圆偏振态，|R>和右旋圆偏振态,l为轨道角动量的特征量子数。

而在螺旋相位板9处未发生转化的单光子合束后没有相位差的产生，其偏振态为垂直偏振态，在第二偏振分束器6处反射重新回到第一偏振分束器4，再在第一偏振分束器4处反射重新回到螺旋相位板9内再次进行转化。

参照附图2所示，一种自旋-轨道角动量混合纠缠单光子调制方法，应用了上述的一种自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子的产生装置，该方法包括以下步骤：

步骤201泵浦光源产生：泵浦光源产生连续的高斯光束，进入光衰减片；

步骤202单光子调制与补偿：高斯光束进入光衰减片衰减为单光子强度，随后入射至起偏器将单光子态转化为水平偏振态；水平偏振态单光子进入第一偏振分束器后透射离开，随后进入四分之一波片转化为圆偏振态，进入第二偏振分束器；

步骤203自旋-轨道角动量耦合纠缠态预先控制：圆偏振态光子在第二偏振分束器处分为两束，第一束为水平偏振态透射经过第二偏振分束器，第二束为垂直偏振态反射经过第二偏振分束器。两束光分别依次经过法拉第旋转镜与达夫棱镜，第一束光在法拉第旋转镜处偏振态旋转为垂直偏振态，第二束光在法拉第旋转镜处偏振态旋转为水平偏振态，再在达夫棱镜处旋转180°完成自旋-轨道角动量耦合的准备，进入螺旋相位板；

步骤204自旋-轨道角动量耦合纠缠态转化：准备好后的光子进入螺旋相位板转化为自旋-轨道角动量耦合的混合纠缠单光子进行转化，进入半波片后第一束光垂直偏振态转化为水平偏振态，第二束光将水平偏振态转化为垂直偏振态；在达夫棱镜处两束光产生π的相位差，随后在法拉第旋转镜处重新将第一束光偏振态旋转为垂直偏振态、第二束光偏振态旋转为水平偏振态，随后两束光在第二偏振分束器处汇合，变为水平偏振态单光子透射作为输出态。

优选地，在所述步骤204中，未发生转化的单光子合束后没有相位差的产生，其偏振态为垂直偏振态，在第二偏振分束器处反射重新回到第一偏振分束器，再在第一偏振分束器处反射重新回到螺旋相位板内再次进行转化。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便，并不对发明构成任何限制。