光子轨道角动量的量子操控与应用

光子轨道角动量具有光学涡旋结构和高维特性,在经典和量子领域都展示出巨大的应用潜力。基于本课题组的研究工作,综述了如何在实验上实现高维量子逻辑门,如三比特的Toffoli门和Fredkin门等,以及利用偏振和轨道角动量的超纠缠特性对不同模式的振幅和相位进行调制。进一步介绍了深度学习算法在坐标系未校准条件下进行光子轨道角动量模式精确识别的应用研究。此外,还介绍了利用量子隐形传态技术实现不同光学自由度间量子态传输以及四维光子轨道角动量贝尔态的制备方案。     

微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的特性北大核心CSCD

提升量子光源在量子信息处理方面的编码容量是量子技术发展亟需解决的问题。轨道角动量作为光子一个独特的自由度,其空间模式分布会形成无限维完备的希尔伯特空间正交解,因此利用光子的轨道角动量进行编码可以极大地提高信息处理的容量,是高维量子信息处理的重要资源。具有二能级系统的量子光源可以等效成点光源,在微纳尺度下对量子光源进行调制产生轨道角动量是拓展片上集成量子光源编码维度的有效方法之一。主要探讨了点光源在微环谐振腔中产生轨道角动量叠加态的特性。首先介绍了角向光栅对微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的调制机理;然后研究了微环谐振腔的腔量子电动力学效应对点光源辐射子的辐射速率和收集效率的影响,并对单光子纯度进行了分析;最后研究了点光源产生轨道角动量叠加态的电场分布、相位分布及矢量偏振特性,不仅分析了微环谐振腔中不同位置的点光源对腔模及轨道角动量的影响,还对出射轨道角动量叠加态的纯度进行了详细分析。该研究为集成轨道角动量光量子器件的发展提供了有效的方法,对进一步了解微纳尺度下产生轨道角动量的机理和性质有良好的促进作用。     

基于光取向液晶叉型光栅的涡旋光产生器北大核心CSCD

具有螺旋相位的涡旋光因其坡印廷矢量绕轴旋转而携带光子轨道角动量,其产生和变换也伴随着轨道角动量的变化。光子轨道角动量在经典光学与量子信息领域均受到强烈的关注。目前已开发出一系列轨道角动量加载和调制的成熟方法,光取向液晶叉型光栅就是其中重要一类。光取向技术适用于液晶微结构的高分辨灵活制备,极大地提升了涡旋光及其阵列的产生与调制能力。综述了光取向液晶叉型光栅在涡旋光场产生与调制方面的相关研究,具体介绍了二元与偏振叉形光栅、达曼叉形光栅、具有螺旋结构的达曼叉形光栅在涡旋光场产生及其阵列化和宽带应用方面的最新进展。     

应用诱骗态的光子轨道角动量测量设备无关量子密钥分发协议的研究

轨道角动量作为量子信息的一种载体,可应用于测量设备无关量子密钥分发协议中,来消除发送端和接收端间的基校准。诱骗态技术可以消除量子密钥分发协议采用弱相干光源时易被分裂攻击的缺陷。本文将轨道角动量态、测量设备无关方案和诱骗态方案相结合,设计一种基于高效轨道角动量分离方法的诱骗态光子轨道角动量测量设备无关量子密钥分发协议方案,避免了极化方案中对极化基的依赖性缺陷,提高了密钥速率,本文给出了该方案密钥速率的理论推导,并分别对采用无限个诱骗态和两个诱骗态时该方案密钥速率进行了仿真。研究结果表明,在相同条件下,基于轨道角动量的MDI QKD协议方案比极化方案密钥速率更高。      

量子密码学应用研究进展

量子密码学是近年来国际学术界的一个研究热点,它有效地解决了传统密码技术存在的问题,相对传统密码技术有着更高的安全性。本文由传统密码通信原理引入量子密码通信,在此基础上介绍了当前相关研究领域内的实验研究以及研究成果,其中详细介绍了量子密码通信在国内的研究成果以及抗量子计算机的应用发展。最后根据当今的发展状况展望了量子密码通信的发展前景和发展方向。虽然量子密码通信在实际应用中仍然存在一些困难,但其必将在网络安全通信中得到广泛的应用。     

光的自旋-轨道相互作用北大核心CSCD

光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先,介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念:光子角动量和几何相位理论。其次,分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后,重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后,对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。     

轨道角动量光束中的经典光关联及其应用研究北大核心CSCD

量子光场的关联性质是量子光学研究的一个重要主题。在对其深入挖掘的过程中,人们在经典光场关联性质方面的研究也取得了一系列重要进展。尤其是结合近二十年来在光信息处理方面备受关注的轨道角动量自由度,观察到许多与高维量子光关联性质相对应的现象。本综述对轨道角动量光束中的经典光关联相关研究进行了总结,介绍了轨道角动量光束中的局域不可分离性及其应用,对空间可分离轨道角动量光束中的经典光关联也做了讨论。特别地,作为一种潜在的量子过程研究平台,还对基于轨道角动量光束的随机行走研究作了介绍。     

光轨道角动量分离、成像、传感及微操控应用研究进展

光不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。其中,自旋角动量与光波的圆偏振态有关,而轨道角动量来源于光波的螺旋相位结构。自Allen等1992年首次理论确认了光子轨道角动量的物理概念和内涵以来,这类具有特殊螺旋相位波前的新型光场吸引了越来越多的研究兴趣,在经典光学及量子光学领域均展示出了诸多重要的应用前景。本文从基础物理及应用物理两个层面出发,着重介绍了轨道角动量光束的制备与探测技术,特别是近年来轨道角动量调控在螺旋相衬成像技术、远程旋转多普勒效应探测技术及光学微操控技术等领域的研究进展。     

光束轨道角动量的量子通信编码方法研究

高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量,并且是在自由空间中传播时一定范围内横向强度分布保持不变的单色光场,光场中的每个光子都具有确定的轨道角动量 ,在每一本征模中由光量子携带的角动量数由拓扑荷 表示,本征态 可被用于多维量子纠缠。文中基于高阶Bessel光束,提出一种利用具轨道角动量光子正交态作为信息载体实现光通信的方法,每光子携带有确定的轨道角动量态,可以提高通信协议的密钥生成效率,也为增加光通信距离提供一种量子解决方案。     

“轨道角动量:从经典光学到量子信息”专辑前言北大核心CSCD

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体。单个光子不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。自旋角动量的研究历史比较悠久,早在1909年, Poynting就将宏观上光波的圆偏振态和微观上单个光子的自旋角动量联系起来。但直到1992年,荷兰Leidon大学的Allen等才在理论上确认光子也可以携带另外一种形式的角动量――轨道角动量,它来源于光波的螺旋相位。     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

面向无线通信的轨道角动量关键技术研究进展

电磁涡旋因携带轨道角动量而具有高维可调制自由度,被引入无线通信中以提升频谱效率和抗干扰能力。该文首先介绍了轨道角动量和电磁涡旋的基本原理与特性;然后比较了电磁涡旋的产生方法,给出了超表面产生轨道角动量的工作原理,综述了基于超表面的轨道角动量产生方法和研究现状;总结了轨道角动量的传输性能、接收与检测方法、复用与解复用性能;最后讨论了未来在应用无线通信轨道角动量时需要解决的关键问题。     

Efficiency enhancement for the orbital angular momentum photon quantum interface via single photon frequency upconversion

As the application of orbital angular momentum (OAM) of photon quantum in quantum communication, the OAM photon quantum interface for the transmission wavelength from the telecom communication quantum information storage in visible regime is required. Here we demonstrate the efficiency enhancement for the OAM photon quantum interface based on the frequency upconversion from telecom wavelength to visible regime by sum-frequency generation. The infrared photons at 1 558 nm carrying different OAM values could be converted to the visible regime at 622.2 nm with the optimal efficiency via adjusting the pump beam waist radius and intensity.     

轨道角动量纠缠光子对联合探测概率的研究

研究了自发参量下转换过程产生的轨道角动量纠缠光子对的联合探测概率,在忽略光子的偏振和晶体为薄晶体的情况下推导出轨道角动量纠缠光子对的联合探测概率的表达式。研究表明：自发参量下转换过程中抽运光、信号光以及空闲光的参数（束腰、轨道角动量和径向指数）的大小决定着纠缠光子的联合探测概率。     

单光子斜程量子信道纠缠角动量的大气湍流效应

分析了von Karman型湍流大气对量子光信道中传输的由参量下转换源生成纠缠轨道角动量态的影响。运用Rytov近似、波相位结构函数的平方近似和修正von Karman折射率起伏谱,研究了完整包含大气湍流引入振幅与位相起伏效应的斜程湍流大气通信信道中单光子纠缠轨道角动量态的测量概率模型,建立了长曝光与短曝光两种曝光条件下斜程湍流大气传输单光子纠缠轨道角动量态的测量概率理论关系。数值研究了天顶角分别为θ=π/6和θ=π/3时的长短或曝光情况下,轨道角动量态纠缠光子对联合概率随着传输距离的变化。数值结果表明：在z〈500m的传输距离内,纠缠光子对的联合检测概率随传输距离增加而快速下降,但传输距离达z〉1000m后联合检测概率几乎不再下降;结果也发现,携带轨道角动量小的纠缠光子对的联合测量概率减少率比携带轨道角动量大的纠缠光子对的联合测量概率的要小;光束传输天顶角越大,联合概率下降幅度越大。     

Passive measurement-device-independent quantum key distribution with orbital angular momentum and pulse position modulation

Based on the orbital angular momentum and pulse position modulation, we present a novel passive measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) scheme with the two-mode source. Combining with the tight bounds of the yield and error rate of single-photon pairs given in our paper, we conduct performance analysis on the scheme with heralded single-photon source. The numerical simulations show that the performance of our scheme is significantly superior to the traditional MDI-QKD in the error rate, key generation rate and secure transmission distance, since the application of orbital angular momentum and pulse position modulation can exclude the basis-dependent flaw and increase the information content for each single photon. Moreover, the performance is improved with the rise of the frame length. Therefore, our scheme, without intensity modulation, avoids the source side channels and enhances the key generation rate. It has greatly utility value in the MDI-QKD setups.     

涡旋光束制备及其在惯性测量领域的研究进展（特邀）

涡旋光束是一种携带轨道角动量且具有螺旋波振面的新型结构光场。自1992年Allen等首次证明了近轴条件下带有螺旋相位因子的光场具有轨道角动量以来,涡旋光束因其在光操控、光通信、光学测量和遥感等领域中的广泛应用而备受关注,特别是近年来涡旋光束在惯性测量领域的应用吸引了诸多学者的研究兴趣。文中主要涉及三个方面的内容:涡旋光束制备方法研究进展;涡旋光束在惯性测量领域中的关键应用,具体为基于涡旋光的旋转多普勒效应和量子陀螺;最后还就惯性测量对涡旋光束制备提出的新要求进行了讨论。     

基于高效轨道角动量态分离方法的复用系统方案研究

轨道角动量（OAM,orbital angular momentum）态可载荷信息,单个OAM态具有无穷大容量且不同OAM态间相互正交.基于OAM态复用的通信系统成为光通信和量子光学领域的研究热点之一.将高效OAM态分离方法应用于OAM态复用系统中,给出一种高效的OAM态通信复用方案.由于这种OAM态分离方法的特点,新方案可从OAM叠加态中同时解调出复用系统中不同轨道角动量态的载体信息,有效节省了复用系统接收端的解调设备,降低了OAM态复用系统的实现成本.数值仿真结果表明当系统信噪比大于23 dB时,系统误码率可以降至于10-4以下,本方案是一可行的OAM态复用方案.