一种轨道角动量纠缠测量方法、系统及设备

本发明涉及量子态层析，特别是涉及一种轨道角动量纠缠测量方法、系统及设备。

背景技术：

1、轨道角动量由于具有离散的和无界的希尔伯特空间优势，是实现高维纠缠的理想资源。这种高维纠缠不仅能有效地提高信息量，而且还能抵抗更多的环境噪声。然而，高维轨道角动量纠缠的检测和表征仍然具有挑战性。

2、传统的量子态层析方法都需要选取多组不同的测量基矢对未知量子态进行大量的投影测量。尤其是，随着维度的增加，测量的次数以几何形式增长，所需的计算时间也大大增加，使得高维纠缠态的层析变得越来越繁琐和困难，甚至是不能完成的任务，存在测量效率低的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种轨道角动量纠缠测量方法、系统及设备，以提高轨道角动量纠缠测量的效率。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：

3、一种轨道角动量纠缠测量方法，包括：

4、获取高维轨道角动量纠缠态；所述高维轨道角动量纠缠态包括：信号光子和闲频光子；所述信号光子和闲频光子一一对应；

5、将所述信号光子依次投影到第一叠加态和第二叠加态上，同时，与所述信号光子对应的闲频光子塌缩，得到塌缩状态；

6、根据所述塌缩状态，得到两幅空间模式图像；

7、将所述两幅空间模式图像输入到训练好的量子态层析模型中进行计算，得到轨道角动量纠缠测量的表征结果。

8、可选地，所述高维轨道角动量纠缠态在高斯光束泵浦非线性晶体的自发参量下转换过程中产生，具体包括：

9、

10、其中，|l>s表示自发参量下转换过程中所产生的量子数为l的信号光子(s)的轨道角动量态；|l>i表示自发参量下转换过程中所产生的量子数为l的闲频光子(i)的轨道角动量态；|l>表示拓扑荷为l且径向指数为零的拉盖尔-高斯模；αl≥0为直积态|l>s|-l>i的振幅；φl∈[0,2π)为直积态|l>s|-l＞i的相位，且满足归一化条件表示信号光子处于|l＞s而闲频光子处于|-l＞i的概率。

11、可选地，将所述信号光子依次投影到第一叠加态和第二叠加态上，具体包括：

12、采用空间光调制器上的两幅全息光栅，得到所述第一叠加态和第二叠加态；具体公式为：

13、

14、

15、将所述信号光子依次投影到第一叠加态和第二叠加态上进行测量；其中，ml表示第一叠加态的归一化复系数，kl表示第二叠加态的归一化复系数。

16、可选地，根据所述塌缩状态，得到两幅空间模式图像，具体包括：

17、采用iccd相机依次记录所述闲频光子的塌缩状态，得到第一空间模式图像和第二空间模式图像；计算公式如下：

18、

19、

20、

21、其中，表示第一空间模式图像，表示第二空间模式图像，αl表示待测纠缠态的所有振幅信息，φl表示待测纠缠态的所有相位信息；上角标*表示复共轭。

22、可选地，所述量子态层析模型具体包括：输入层、卷积模块、全连接层和输出层。

23、可选地，所述卷积模块包括m个卷积单元。

24、可选地，任意一个所述卷积单元包括：卷积层、批量归一化层、非线性激活函数和最大池化层。

25、为实现上述目的，本发明实施例还提供了如下方案：

26、一种轨道角动量纠缠测量系统，包括：

27、轨道角动量纠缠态获取模块，用于获取高维轨道角动量纠缠态；所述高维轨道角动量纠缠态包括：信号光子和闲频光子；所述信号光子和闲频光子一一对应；

28、投影与塌缩模块，与所述轨道角动量纠缠态获取模块连接，用于将所述信号光子依次投影到第一叠加态和第二叠加态上，同时，与所述信号光子对应的闲频光子塌缩，得到塌缩状态；

29、成像模块，与所述投影与塌缩模块连接，用于根据所述塌缩状态，得到两幅空间模式图像；

30、输出模块，与所述成像模块连接，用于将所述两幅空间模式图像分别输入到训练好的量子态层析模型中进行计算，得到轨道角动量纠缠测量的表征结果。

31、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的轨道角动量纠缠测量方法。

32、一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述的轨道角动量纠缠测量方法。

33、在本发明实施例中，将量子态层析模型应用于轨道角动量纠缠测量可以大大降低计算复杂性和时间成本，提高轨道角动量纠缠测量的效率。

技术特征：

1.一种轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，所述高维轨道角动量纠缠态在高斯光束泵浦非线性晶体的自发参量下转换过程中产生，具体包括：

3.根据权利要求1所述的轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，将所述信号光子依次投影到第一叠加态和第二叠加态上，具体包括：

4.根据权利要求3所述的轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，根据所述塌缩状态，得到两幅空间模式图像，具体包括：

5.根据权利要求1所述的轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，所述量子态层析模型具体包括：输入层、卷积模块、全连接层和输出层。

6.根据权利要求5所述的轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，所述卷积模块包括m个卷积单元。

7.根据权利要求6所述的轨道角动量纠缠测量方法，其特征在于，任意一个所述卷积单元包括：卷积层、批量归一化层、非线性激活函数和最大池化层。

8.一种轨道角动量纠缠测量系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中所述的轨道角动量纠缠测量方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-7所述的轨道角动量纠缠测量方法。

技术总结
本发明公开一种轨道角动量纠缠测量方法、系统及设备，涉及量子态层析技术领域。获取高维轨道角动量纠缠态；所述高维轨道角动量纠缠态包括：信号光子和闲频光子；所述信号光子和闲频光子一一对应；将所述信号光子依次投影到第一叠加态和第二叠加态上，同时，与所述信号光子对应的闲频光子塌缩，得到塌缩状态；根据所述塌缩状态，由ICCD相机得到两幅空间模式图像；将所述两幅空间模式图像分别输入量子态层析模型中进行计算，得到轨道角动量纠缠的表征结果。本发明提高了轨道角动量纠缠测量的效率。

技术研发人员：李勇男,赵嘉娴,黄双印,李逸,涂成厚,王慧田
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15