轨道角动量纠缠频率变换实验研究

Photon plays a vital role in information transmission and processing. In the quantum information processing, state transmission and processing between different quantum system is accomplished by interaction between photon and matter. Information can be encoded in various degree of freedoms of photon includes polarization, frequency or orbital angular momentum (OAM). Polarization encoded photon can only carries 1 bit of information, while information carried by a single photon and channel capacity of quantum networks can be great enhanced by encoding information in photon's OAM degree of freedom, because there is no limitation in dimension. Usually, basic components consist of a quantum network work at different frequencies, as an instance, most of the quantum memories operate in the visible wavelength range, which is not matched with fiber or free space communication windows. To share information between different quantum systems, a quantum frequency convertor is indispensable. Therefore, quantum frequency conversion of photonic OAM entanglement states is very promising in building high-dimensional quantum networks. The main content of this project is to study frequency conversion of OAM entanglement states, which aims at realizing a quantum interface for high-dimensional encoded states. The expected research results will lay a solid foundation on building a high information capacity quantum networks.

光子作为信息的载体在信息传递与处理中扮演着重要的角色。在量子信息领域，不同量子体系间量子态的传递和处理都是通过光子与物质的相互作用完成。信息可以被编码在光子的偏振、频率或轨道角动量等自由度。编码在偏振上光子只能携带1个比特的信息， 然而，若将信息编码在具有无限维度的轨道角动量自由度时，单个光子所携带的信息量和量子网络的信道容量都可以被大幅提高。通常组成量子网络的不同组件通常工作在不同的光子频率，比如大部分的量子存储器工作在可见波段，与光纤或大气的通信窗口不匹配。实现信息在不同频率的量子体系间交互和处理，需要一个量子频率变换器，因此轨道角动量光子纠缠态的频率变换对于构建高维量子信息网络具有重要的意义。本项目拟以编码于轨道角动量空间的纠缠态的频率变换为研究内容，以实现基于高维编码态的量子接口为目标开展研究工作。预期的研究成果将为构建大信息量量子网络奠定坚实基础。

量子计算、通信和测量是量子信息科学研究的三个主要方向，其发展和突破将会带来重要的技术变革，不断推动人类文明的发展和进步。对于量子通信而言，通过将信息编码在光子的轨道角动量维度可以极大的提升单光子所携带的信息量，然而远距离的量子中继需要工作波长位于传输介质低损耗窗口, 这就需要建立工作于不同波长的量子体系的频率接口，这样的频率接口可以将信息相干的从一个波长转移到另外一个波长，而不改变转换光子所编码的信息。针对上述目标，我们开展了一系列研究，主要包括：轨道角动量量子比特的频率转换和轨道角动量纠缠的频率转换，成功掌握了轨道角动量高维态的产生，操控和频率转换技术，顺利的完成了项目的预期目标。在项目执行期间共发表标注本项目的论文15篇，授权发明专利1项。与此同时，通过完成本项目，熟练掌握了非线性频率转换技术，并将其用于高品质特殊波长激光的产生，不同类型的纠缠源的制备，频率上转换探测等。利用本项目培养研究生3名，其中博士生刘世隆获研究生国家奖学金。项目负责人本人在项目执行期间，完成从博士后到特任副研究员，再到副教授的职位晋升。以本项目为基础，后续将继续把非线性频率转换技术向纵深发展，开展中远红外量子信息学、分子吸收光谱和图像上转换探测的研究，并且将较为成熟的技术进行落地转换，服务于国家“产学研”科技创新的大局。