本发明专利技术公开了一种偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统及方法，该系统包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q‑plate转化器和提纯单元。所述LD泵浦源用于产生泵浦光，为系统提供输入信号；所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q‑plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯。本发明专利技术可以稳定地产生高纯度的偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子，并且该系统结构简单，产生过程简洁。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，该系统包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q-plate转化器和提纯单元。所述LD泵浦源用于产生泵浦光，为系统提供输入信号；所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q-plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯。本专利技术可以稳定地产生高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子，并且该系统结构简单，产生过程简洁。【专利说明】
本专利技术属于量子信息与光通信
，具体设及一种可W稳定地产生高纯度偏 振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统及方法。
技术介绍
量子纠缠是指物理上可分离的多子系量子系统之间的非局域关联，也就是对一个 子系统的测量结果无法独立于其它子系统的测量参数。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。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。近年来单光子纠缠态在设计量子信息处理器件中具有潜在的应用。 例如，单光子的双量子纠缠比特已应用于确定性密码方案。Barreiro小组基于单光子自 旋-轨道纠缠态的分析，打破了线性超密集编码的传统极限。另外，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W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。 光子间有多种自由度的纠缠例如偏振、频率、动量和位置、还有光场的正交振幅和 位相分量等。该些丰富的自由度的研究更多地认识了量子物理的本质，也为量子信息技术 的编码和解码提供了方便。 1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队从理论上证明光子中含有确定的轨道角动量 巧。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。利用相位、偏振、频率等量 子态来编码，只能实现一个量子比特（qubit)编码；而轨道角动量的量子数1在理论上允许 取任意整数，因此W光子轨道角动量作为信息的载体来编码信息，能够大大增加传输的信 息容量，人们可W实现一个高维的希尔伯特空间中高维量子态（qudits)编码，且具有更高 的保密性，该为单光子的多比特量子通信的实现奠定了基础。 目前，具有光子轨道角动量的光子源产生方法主要有；a、模式转换器法；由两个 柱面透镜构成，包括n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，在该里螺旋波带板或全息光学转换板需要特殊加工，且 光束经过该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化的拉盖尔-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，该种方法可W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。 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，然而上述方法均无法 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，意大利罗马大学的Eleonora 化gali等人发现，利用液晶制作的一种非均匀各向异性的Q-plate可W巧妙的实现偏振态 向轨道角动量的转化，从而在实验上实现了偏振-轨道角动量双光子混合纠缠态的产生。 利用偏振-轨道角动量混合纠缠态，可W构建一个更高维的希尔伯特空间，实现高维量子 态（qudits)编码，该在量子信息领域，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，不仅可W增加量子信道的编解码能力还可W提高信息的安全性。然而，Q-Plate 在实际应用中还存在一些问题。例如，由于器件材料性能的制约，光束在经过Q-plate的作 用后，偏振-轨道角动量混合纠缠态和偏振态两种不同性质的量子态同时存在，从而获得 的量子混合纠缠态的纯度很低。如果使用该种纯度不高的纠缠态进行量子通信和量子计算 将会导致信息失真，误码率变大。要想充分利用偏振-轨道角动量混合纠缠态的高维量子 纠缠特性，达到可信稳定的量子通信、量子计算，需要改进现有携带轨道角动量的光子源产 生方法，采用混合纠缠态提纯技术获得高纯度纠缠态。因此，提出新型光子源获得高纯度的 量子纠缠态是量子信息研究中的重要课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了解决W上的不足，提供了一种偏振-轨道角动量混合纠缠 态单光子的产生系统，该系统可稳定地产生高纯度偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子， 降低了系统成本。 [000引为了实现本专利技术目的所采取的技术方案是： 偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，包括依次连接的LD累浦源、光 学禪合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q-plate转化器和提纯单元；所述LD累浦源用于 产生累浦光，所述光学禪合系统用于对所述累浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于 提供反馈能量，选择累浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对累浦光进行调控，W输 出水平偏振单光子；所述Q-plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振-轨道角 动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子进行提 纯。 进一步地，所述光学禪合系统包括依次连接的第一球面透镜和第二球面透镜。 所述第一球面透镜用于对累浦光进行准直，所述第二球面透镜用于对累浦光进行 聚焦。 进一步地，所述激光谐振腔包括依次连接的激光谐振腔输入端镜、激光增益介质 和激光谐振腔输出端镜。 激光谐振腔用于提供反馈能量，选择光波的方向和频率。所述激光谐振腔输入端 镜和激光谐振腔输出端镜用来使激光增益介质的受激福射连续进行、不断给光子加速、限 制激光输出的方向； 进一步地，所述激光增益介质是激光晶体。 激光晶体能实现能级跃迁，具有阔值低和具有优良的热学性质，可使该产生系统 可连续和高重复率的工作。 进一步地，所述光束调控单元包括依次连接的谐波非线性晶体、波片组和衰减器。 光束调控单元用于对光束进行调控输出为所需要的水平偏振单光子。 [001引进一步地，所述谐波非线性晶体包括透镜和倍频晶体；所述波片组包括A /4波片 和A /2波片。 其中A表示波长；谐波非线性晶体用于对光束的波长进行调控，输出所需要波长 的激光。波片组用于对激光进行整形调控输出水平偏振光。所述衰减器用于对激光进行强 衰减，从而获得水平偏振单光子。 进一步地，所述提纯单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的单光子分 为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射 镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第 二光束的交汇处设有第二分束器。 进本文档来自技高网...
【技术保护点】
偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q‑plate转化器和提纯单元；所述LD泵浦源用于产生泵浦光，所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q‑plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，郭建军，张程贤，范榕华，张文杰，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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