高维光子轨道角动量量子态的产生、测量与操控的研究

Orbital angular momentum (OAM) of photons characterizes both high dimensions and optics vortices, and shows a great of potential applications in quantum and classical fields, and attracts a lot of attention. This project will experimentally and theoretically study generation, identification, measurement and manipulation of OAM states in optics systems and atom systems. The main research contents include the mechanism of coupling and transferring between OAM and spin of photons, multi-photon OAM entangled states, quantum memory of high-dimensional OAM states and quantum computing based on OAM states of photons. The generation of OAM states will be engineered by designing vortices of pumping light; rapid manipulation of OAM states will be realized by modulating phase and magnitude of radial mode functions of photons with entanglement between spin and OAM; OAM spectrum will be measured with high speed and precision by use of radial Doppler frequency shift of optical fields with OAM; quantum memory of high-dimensional OAM states will be realized with high efficiency and long preservation time by mapping OAM on frequency modes and by use of photon echo with magnetic field gradient. These results will provide new methods for generation, identification, and manipulation of OAM states and will have an important impact to science fields.

光子轨道角动量（OAM）态具有高维和光学涡旋特性，在经典和量子领域展示出了巨大的应用潜力，引起人们高度的关注。本项目将围绕光的OAM态的量子特征，基于光学和原子两种体系，开展光子OAM量子态的制备、操控、检测和应用的理论和实验研究，内容包括OAM与自旋角动量的耦合与相互转换机制、光子高维OAM量子态的存储、多光子OAM纠缠态和基于光子高维OAM态的量子计算研究等。本项目通过对泵浦光涡旋结构的特殊设计，实现工程化产生光子OAM量子态；利用偏振与OAM的纠缠，对模函数的振幅和相位进行特定的调制，实现对高维OAM量子态的快速操控；基于OAM光场横向多普勒频移，通过光谱学方法实现快速、高精度测量OAM谱；将光子OAM态编码到频率模式，利用磁场梯度光子回波方案实现光子高维OAM量子态的高效、长时存储。这些工作将为光子高维OAM量子态的制备、操控、检测及存储提供新的手段和方法，具有重要的科学意义。

光子轨道角动量（OAM）态具有高维和涡旋特性，在高容量经典通讯和量子信息领域具有重要的应用潜力。本项目基于线性光学体系，开展了光子OAM态量子检测与操控方面的研究。在OAM谱检测方面，利用旋转多普勒效应实现了一种新型的OAM谱仪，不仅能够准确、快速的测量出OAM谱，还能测出不同OAM态之间的相对相位。利用高速DMD和单像素测量方法，基于纯相位型Hadamard基实现了每秒6帧32x32像素光场复振幅成像，结果优于目前Thorlabs公司的夏特霍夫曼波前传感器的参数；利用探测到的复振幅函数，重构OAM复谱，其保真度达到99%。基于共路干涉仪以及单像素技术，实现了实时条件下同时探测具有21个OAM分量的OAM复谱，测量的保真度高于97%。. 在基于光子OAM量子态的量子计算和量子信息方面，利用光子的OAM量子态实现了四维的循环X门及其所有的整数幂次变换门操作，逻辑门的平均转换效率达到88.04%。利用光子的偏振和路径与OAM模式混合编码的方式，光子的偏振态作为控制比特，实现了四维控制X逻辑门，整个逻辑门的转换效率达到93%。利用四维OAM态以及偏振态，分别实现了确定性的三粒子Toffoli门以及Fredkin门，其效率可以达到93.6%。提出制备高维贝尔态的方案，并在实验中产生了一组完备的四维贝尔态基矢，利用线性光学元件，将这十六个贝尔态分成七组加以区分。 . 在原子介质OAM量子态的存储方面，利用二维磁光阱系统成功冷却与俘获了雪茄型的中性铷原子团，通过压缩磁光阱、时间暗线和偏振梯度冷却等技术，将冷原子团的光学厚度提高到400量级。基于电磁诱导透明存储方案，实现了单光子量级轨道角动量（OAM）量子态（l=1,2,3,4,5）的高效存储，对于OAM量子数l=3的态存储效率可达到58%，对于OAM量子叠加态：|0>+|1>，存储效率可以达到65%，存储保真度超过98%，达到目前国际同类工作的最好指标，为构建高维度、大规模的量子网络提供了基础。 . 这些工作将为光子高维OAM量子态的制备、操控、检测及存储提供新的手段和方法，具有重要的科学意义。