专利名称:一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，包括第一分束器，第一分束器将入射光分为第一光束和第二光束，第一光束所在路径上设有第一全反射镜，第二光束所在路径上设有第二全反射镜；还包括设于第一光束所在路径和/或第二光束所在路径上的相位差产生装置；第一光束和第二光束交汇处设有第二分束器。本实用新型结构简单，实现了水平偏振态光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子的分离，为获得高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态光子的高效转化提供了保障，使得未转化为纠缠态的光子可被重复利用，利用这种高纯度混合纠缠态光子进行量子通信和量子计算误码率低，且受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响很小。
【专利说明】一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于光通信与量子信息领域，具体涉及一种自旋-轨道角动量混合纠 缠态的分离系统。
【背景技术】
[0002] 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+6、4的自旋角动量，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一光子轨道角动量，研宄表明，每个单光子 中含有确定的轨道角动量彷，其中1为轨道角动量的特征量子数，可以取任意整数，1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。研宄也发 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 重要研宄价值。之后，光子的轨道角动量开始成为光学领域的一个研宄热点。因此，人们致 力于研宄各种产生具有轨道角动量光束的方法。
[0003] 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31相位转换器和31 /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M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。
[0004] 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宄的重要方向。最近，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勾各向异性的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。
[0005] 因此，一种能够将水平偏振态光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离 的分离系统成为发明人所关注的重点。 实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于为了解决以上的不足，提供了一种自旋-轨道角动量混合 纠缠态的分离系统，该系统实现了对水平偏振态光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子 的分离，保证了高纯度自旋-轨道角动量混合纠缠态光子的高效转化。
[0007] 为了实现本实用新型目的所采取的技术方案是：一种自旋-轨道角动量混合纠缠 态的分离系统，所述分离系统包括第一分束器，所述第一分束器用于将入射光分为第一光 束和第二光束，所述第一光束所在路径上设有第一全反射镜，所述第二光束所在路径上设 有第二全反射镜；还包括设于第一光束所在路径和/或第二光束所在路径上的相位差产生 装置；所述第一光束和第二光束末端处交汇，且交汇处设有第二分束器。
[0008] 优选的，所述相位差产生装置包括第一达夫棱镜和第二达夫棱镜，所述第一达夫 棱镜设于第一分束器和第一全反射镜之间，所述第二达夫棱镜设于第二全反射镜和第二分 束器之间。
[0009] 优选的，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。
[0010] 优选的，所述相位差产生装置为光束旋转器，所述光束旋转器设于第一分束器和 第一全反射镜之间。
[0011] 优选的，所述第一分束器的分束比为50 :50,所述第二分束器的分束比为50 :50。
[0012] 优选的，所述第一全反射镜和第二全反射镜呈对角设置。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
[0014] 本实用新型的分离系统结构简单，分离系统中的第一分束器将通过其的光分为两 条光束路径，利用相位产生装置使得含有相位项的光束在两条光束路径上产生相应的相位 差，同时结合全反射镜对光束的传播方向进行调整，经第二分束器作用，最终实现了水平偏 振态光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子的分离，为获得高纯度自旋-轨道角动量混 合纠缠态光子的高效转化提供了保障，不仅使得未被转化成纠缠态的光子可被重复利用， 而且使用这种高纯度混合纠缠态光子进行量子通信和量子计算误码率低，且受实验条件限 制和不可避免的环境噪声的影响很小，使系统安全性大大增强。
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统的第一种结构示意 图；
[0016] 图2为本实用新型自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统的第二种结构示意 图。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做进一步说明：
[0018] 参照附图1所示，一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，包括第一分束器 120,第一分束器120的分束比为50:50,用于将通过其的光分为第一光束和第二光束。第一 光束所在的路径为第一光束路径，第二光束所在的路径为第二光束路径。所述第一光束路 径上依次设有第一达夫棱镜121和第一全反射镜122,所述第二光束路径上依次设有第二 全反射镜123和第二达夫棱镜124。所述全反射镜122、123用于反射光束，以改变光束的传 输路径。所述第一光束路径和第二光束路径在末端处交汇，且交汇处设有第二分束器125， 所述第二分束器125的分束比为50:50。其中第一全反射镜122和第二全反射镜123呈对 角设置；第一达夫棱镜121和第二达夫棱镜124相对设置，且在空间上具有夹角。
[0019] 参照附图1和附图2所示，当第一达夫棱镜121和第二达夫棱镜124的相对角度 为a时，两个达夫棱镜121和124的作用等效于在第一光束路径上设置旋转角为2a的光 束旋转器（BeamRotator，BR)，从而使含有相位项exp(il<i))的光束在两条光束路径上产 生相应的相位差。含有相位项的两条光束到达第二分束器125,并在第二分束器125处发生 相消干涉，经过第二分束器125后自旋-轨道角动量混合纠缠态光子从系统输出端输出，而 未发生转化的水平偏振光子在第二分束器125处发生相增干涉，经过第二分束器125后则 进入外界的反馈补偿单元中实现再转化，使未发生转化的光子能够重复利用，提高了偏振 单光子的利用率。
[0020] 本实用新型分离系统的具体工作原理如下：外界的单光子源产生的水平偏振单光 子|H>经转化为自旋-轨道角动量混合纠缠态光子I 进入所述自旋-轨道角动量 混合纠缠态分离系统，其中包括未能发生转化的水平偏振单光子|H>和自旋-轨道角动量 混合纠缠态光子Iit>HyMd，第一分束器120将到达其上的光子分为第一光束和第二光束，第 一光束进入达夫棱镜121，产生了一定的相位差，然后经过第一全反射镜122,第一光束传 播方向改变90度。第二光束首先经第二全反射镜123反射，第二光束传播方向改变90度， 然后进入第二达夫棱镜124,产生了一定的相位差。当两个棱镜的相对角度为a时，达夫棱 镜121、124的作用等效于在其中一条光束路径上加入旋转角为2a的光束旋转器BR，从而 使含有相位项exp(il(i))的轨道角动量态在两条光束路径上产生S=21a的相位差。
[0021] 光束旋转器BR对轨道角动量光束的作用原理为：当分离单元输入态为|in> =|0>|1>，其中，|0>，|1>分别表示真空态和单光子态，则经过光束旋转器后输出态 卜，.〉=士(卜，)|〇〉|丨〉+全(卜卜.，)|丨〉|〇〉，其中取a= |。因此携带= "和= -D轨道 角动量的混合纠缠态光子在第二分束器125处发生相消干涉，将从分离单元的％出口直接 输出，此时输出端得到=(|L-1> + |反〇)/▲，即混合纠缠态；而没有转化的水平偏 振光可看作为轨道角动量量子数为〇的态光子，即11 =〇>，在第二分束器125处发生相增 干涉将从分离单元的Di出口输出至外界的反馈补偿单元，使未发生转化的水平偏振光进一 步转化为自旋-轨道角动量纠缠态光子，提高了单光子的利用率和自旋-轨道角动量混合 纠缠态的转化率。
[0022] 根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型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，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对 本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型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说明，并不对本实用新型 构成任何限制。
【权利要求】
1. 一种自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，其特征在于，所述分离系统包括第 一分束器，所述第一分束器用于将入射光分为第一光束和第二光束，所述第一光束所在路 径上设有第一全反射镜，所述第二光束所在路径上设有第二全反射镜；还包括设于第一光 束所在路径和/或第二光束所在路径上的相位差产生装置；所述第一光束和第二光束末端 处交汇，且交汇处设有第二分束器。2. 根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，其特征在于，所述 相位差产生装置包括第一达夫棱镜和第二达夫棱镜，所述第一达夫棱镜设于第一分束器和 第一全反射镜之间，所述第二达夫棱镜设于第二全反射镜和第二分束器之间。3. 根据权利要求2所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，其特征在于，所述 第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。4. 根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，其特征在于，所述 相位差产生装置为光束旋转器，所述光束旋转器设于第一分束器和第一全反射镜之间。5. 根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，其特征在于，所述 第一分束器的分束比为50 :50,所述第二分束器的分束比为50 :50。6. 根据权利要求1所述的自旋-轨道角动量混合纠缠态的分离系统，其特征在于，所述 第一全反射镜和第二全反射镜呈对角设置。
【文档编号】H04B10-70GK204272130SQ201420732149
【发明者】郭建军, 郭邦红, 程广明, 张程贤, 范榕华, 张文杰 [申请人]华南师范大学