双光子自旋-轨道超纠缠态与高维量子信息处理的实验研究

Single photon is an ideal candidate for quantum information. Spin and orbital angular momentum (OAM) are two dependent photonic degrees of freedom, each of which can be exploited for the information coding. But, we find that there are quite few researches reporting the simultaneous employment of both spin and OAM for the high-dimensional quantum information applications. Here we focus on the spin-orbit hyper-entangled state and exploit its potential in constructing a very high-dimensional Hilbert space. Particularly, we will built up an experimental system for the generation and manipulation of two-photon spin-orbit hyper-entanglement, and demonstrate their appications from both the fundamental and applied points of view. The aim of our project mainly includes: (1) We will study the hyper-entanglement state analysis, and perform the ladder proof of Hardy's nonlocality theory in the high-dimensional spin-orbit Hilbert space, which will provide a new perspective for understanding the fundamental concepts of quantum mechanics. (2) We will combine effectively the spin-orbit hyper-entanglement with quantum imaging, and show the new way to improve the edge contrast and fidelity of the image, which holds promise for quantum image transmission with high quality in the future quantum networks.

光子是量子信息的理想载体。自旋和轨道角动量属于光子的两个独立自由度，都可用以信息编码。但是，国际上利用光子自旋与轨道这两个自由度同时编码高维量子信息的实验研究目前还比较缺乏。因此，本项目将致力于研究双光子的自旋-轨道超纠缠态及其在构建高维Hilbert空间中的应用潜力。具体地，我们将在实验上搭建一套完善的双光子超纠缠系统，用于研究自旋-轨道超纠缠态的制备与调控，特别是从基础物理和应用物理两个层面来研究它的应用价值：（1）基础物理方面，基于高维的自旋-轨道复合Hilbert空间，实验研究双光子的超纠缠态分析，以及Hardy非定域性原理的递推式论证，从而为量子力学一些基本概念的检验提供一个新的视角；（2）应用物理方面，将光子自旋-轨道态调控和量子关联成像有效结合，着重研究如何利用超纠缠态提高量子成像的对比度和保真度，这有望用于未来量子网络中实现量子图像的高品质传输。

利用光子的自旋角动量（偏振），仅能构建一个2 维的Hilbert 空间，实现一个量子比特的编码(qubit)。而光子轨道角动量的重要意义在于它可构建一个高维的Hilbert 空间，从而实现一个高维量子态的编码(qudits)。特别是在2001 年，奥地利Wien 大学的Zeilinger 小组率先在Nature 实验报道了自发参量下转换双光子具有轨道角动量纠缠的量子特性，从此光子角动量才开始与量子光学真正对接。2010 年英国Glasgow 大学的Padgett 研究组在Science 又实验报道了角位置和轨道角动量这对共轭之间具有更强的EPR 量子关联，这为提高量子密码网络的带宽带来了崭新的机遇。由于这些研究工作的推动，科学家们敏锐地意识到光子角动量在量子信息领域将展现出更多诱人的应用前景，已然成为当前国际上物理学前沿研究的热点之一。.本项目致力于研究双光子的自旋-轨道超纠缠态及其构建高维Hilbert 空间中的应用潜力。具体地，我们将在实验上搭建一套完善的双光子超纠缠系统，用于研究自旋-轨道超纠缠态的制备与调控，特别是从基础物理和应用物理两个层面来研究它的应用价值。.取得的主要创新性成果及科学意义 (1)设计新型马赫泽德干涉仪，基于光自旋-轨道耦合，实现轨道角动量高效分离并国际上首次分离分数光涡旋。(2)围绕弱光探测问题，实现光子可数水平下光涡旋的精准“点亮”与定位。(3)将螺旋相衬原理推广到非线性倍频过程，直接实现了不可见光照射下相位物体边缘增强的可视化。在Optica，Laser & Photonics Reviews等发表论文20余篇，工作作为封面文章或编辑推荐形式亮点报道。