基于轨道角动量的多自由度W态纠缠系统

提出了一种制备三光子纠缠W态的方案, 该方案利用携带轨道角动量为lħ的光子(其中l可取(-∞, +∞)的任意整数)可构成无穷维向量空间的特性, 采用两种类型的参量下转换, 产生轨道角动量-自旋角动量纠缠的两对光子和一对偏振纠缠光子, 通过纠缠交换制备三光子多自由度的W态, 实现三光子体系纠缠的高维度、大容量量子信息处理. 方案采用q-plate相位光学器件和单模光纤等器件制备两个不同自由度(轨道角动量与偏振)混合的W态, 并利用计算机全息相位图改进方案制备三个不同自由度(轨道角动量、线动量和偏振)混合的W态. 本方案可稳定产生两种等概率互为对称的W态, 具有高维度、强纠缠特性与抗比特丢失能力, 信息量达log₂^m+2比特(m为l的可取值个数), 有望实现可扩容量子比特的安全通信.     

基于cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案

提出了一种基于五粒子cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案.通信三方利用五粒子cluster态自身的粒子分布情况,结合诱骗光子,对粒子分别做Z基单粒子测量和Bell基测量,便可完成信道的第一次安全性检测.通信控制方Cindy通过对手中的粒子序列随机选用测量基(Z基或者X基)测量来决定信道容量,并通过经典信道公布结果.发送方Alice将要发送的信息以及校检信息用于对手中的粒子序列进行幺正操作编码,并插入诱骗光子后将编码后的粒子序列发给接收方Bob并通过经典信道告知其诱骗光子的位置信息.Bob接收到粒子序列后,按照经典信道Alice发送的信息,结合Cindy公布的信息,剔除诱骗光子后按照一定的规则对手中的两组粒子序列进行Bell基测量,便可解码完成第二次安全性检测以及得到Alice发送的信息.通过对五粒子cluster态的纠缠结构性质进行分析,阐明了五粒子cluster态在该方案中所表现出的特点的物理缘由.结果表明,只需变化测量基的规则和用于编码的粒子,可以将该方案推广成可控双向量子安全直接通信.     

基于单光子双量子态的确定性安全量子通信

量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域,是一种利用量子力学原理,能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式.基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态,并利用局域幺正变换加载信息.本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案.发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特.接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听,从而实现信息的确定性安全传输.另外,我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器,可以在当前的量子通信装置上实现.     

利用Sagnac干涉仪实现光子轨道角动量分束器

光子轨道角动量量子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, 目前对其的研究已成为物理学的一个热点. 本实验研究了利用Sagnac干涉仪干涉的方法将具有不同轨道角动量的光束无破坏地分离到不同的路径, 即实现光子轨道角动量分束器. 实验中利用此分束器验证了对几种不同轨道角动量态(包含叠加态)的分离, 得到了与理论预期相符的实验结果. 这种对轨道角动量态的区分的方法相比已有的其他区分方法具有较好的稳定性, 而且可用于区分叠加态, 也可以达到单光子水平, 最重要的是实现了不同的轨道角动量本征态无破坏的与路径比特耦合. 这种新方法对高密度通信、量子纠缠、量子保密通信、量子计算与量子信息等方面有着重要的意义.     

一种基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案

提出了一种基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案.在每一个局域网中设置一个服务器负责量子态的产生和测量,从而提高了通信距离;将诱骗态的思想引入量子安全直接通信,采用不同的强度发送光脉冲,能够克服光子数目分割攻击,从而提高通信的安全性;根据信道参量估计了不同通信距离的通过率,为信道编码提供了依据.对所提方案进行了安全性分析,结果表明此方案能够实现远距离量子安全直接通信.     

基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析

测量设备无关量子密钥分发系统可以免疫任何针对探测器边信道的攻击, 并进一步结合诱惑态方法规避了准单光子源引入的实际安全性问题. 目前实验中一般采用弱相干光源, 但是该光源含有一定比例的空脉冲和多光子脉冲. 本文针对弱相干光源的具体特性, 采用量子力学的描述, 将各个器件进行量子化处理, 并同时考虑探测器的具体性能参数的影响, 分别给出了通信双方各自发送的脉冲含有特定光子数时产生的成功贝尔态和错误贝尔态的概率公式, 从理论上对相位编码和偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的误码率进行了定量分析, 分别推导并模拟了通信双方采用的平均光子数对称和不对称时误码率随传输距离的变化情况, 结果表明在偏振编码Z基中, 多光子脉冲不会引起误码; 在偏振编码X基和相位编码中, 受多光子影响, 产生的误码率较大. 对于不同的编码方式, 误码率均随传输距离的增加有不同程度的升高, 长距离传输时, 平均光子数越小, 产生的误码率越大; 在偏振编码X基和相位编码的短距离传输中, 相对于对称, 通信双方采用的平均光子数不对称时产生的误码率较大.     

光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展

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(与光波的圆偏振相关), 还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的Hilbert空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自Allen等于1992年确认光子轨道角动量的物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.     

带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案

针对量子安全直接通信中身份认证的需要,提出一种带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案.通信开始前通信双方共享一串秘密信息,先利用单光子来验证接收方的合法性,再利用Bell态粒子验证发送方的合法性,之后将Bell态粒子与单光子混合作为载体发送.每一次发送量子态时都加入窃听检测粒子,而一旦窃听者截获发送粒子,由于得到的是不完整的粒子,窃听者无法恢复原始信息,并且窃听行为会立刻被发现,从而终止通信.本方案中单光子和Bell态充得到分利用,且混合之后的通信能有效提高传输效率和编码容量以及量子比特利用率.安全性分析证明,本方案能抵御常见的外部攻击和内部攻击.     

海洋湍流对光子轨道角动量量子通信的影响

本文研究了基于光子轨道角动量的量子通信在水下量子信道中受海洋湍流运动的影响.基于Elamassie等提出的海洋湍流功率谱模型,本文建立了不同海洋湍流参数与光子轨道角动量量子通信的单光子探测概率、信道容量、密钥产生率以及双光子共生纠缠度的定量关系,并利用纠缠光子对的共生纠缠度在海洋湍流中的普适衰减特性进一步研究了轨道角动量纠缠光子对在海洋湍流中的最大纠缠距离.研究结果表明:水下量子通信性能和纠缠光子对的共生纠缠度都随海洋湍流的湍流动能耗散率的增大或温度方差耗散率的减小而降低;温度和盐度因素对海洋湍流贡献的比值对水下量子通信的影响在海水是否稳定分层的条件下具有显著的区别;在通过海洋湍流进行量子通信时,增加信号光子的初始轨道角动量量子数可以提高量子密钥分发的密钥产生率和纠缠光子的纠缠衰减抵抗性.     

多方控制的量子安全直接通信协议的分析及改进

对一种多方控制的量子安全直接通信协议(WCZT协议)进行了安全性分析,并利用隐形传态给出了一种新的攻击方法.利用该攻击方法,接收方可以在没有征得任何控制方同意的情况下获得发送方的消息,因此该协议是不安全的.对该协议进行了改进,分析表明改进后的协议能够抵抗这种攻击,可以满足多方控制的量子安全直接通信的目的. 关键词： 隐形传态 单光子 多方控制 量子安全直接通信     

A simple scheme for quantum networks based on orbital angular momentum states of photons

We propose a new quantum network scheme using orbital angular momentum states of photons to route the network and spin angular momentum states to encode the information. A four-user experimental scheme based on this efficient quantum network is analyzed in detail, which is particularly appealing for the free space quantum key distribution. Users can freely exchange quantum keys with each other.     

标量算符本征值对g壳层LSQ耦合态的完全分类计算

按（Ｕ,Ｄ）Ｌ－ＬＳＱ格式构造ｌ壳层ＬＳＱ耦合态,这里Ｕ（Ｄ）是自旋向上（向下）电子的轨道角动量,Ｌ、Ｓ、Ｑ是总轨道角动量、总自旋和准旋。由４个产生－湮灭算符构造与轨道、自旋准旋算符均为易的标量算符并用基本征值对ＬＳＱ耦合态进上步分类,实现了对ｆ、ｇ壳层耦合态的完全分类,列出了ｇ壳层耦合态完全分类的主要结果。     

Property of partially disturbed polarization of Airy beam

We propose methods for the unambiguous discrimination of quantum states encoded in the spatial profile of light modes, in particular in the orbital angular momentum of light. Perfect discrimination between quantum states is possible only between orthogonal states of a known basis system. Generalised measurement strategies have been developed for the distinction between non-orthogonal states in a two-dimensional state space, e.g. the polarisation of light. Here we consider information encoded in superpositions of orbital angular momentum states of light, defined within an infinite-dimensional state space. Generalised measurements will be an important addition to quantum communication in high-dimensional spaces.     

Entanglement swapping with pure orbital angular momentum Bell-state analysis

We investigate a framework of an orbital angular momentum (OAM) entanglement swapping in a multi-dimensional Hilbert space with the spin angular momentum (SAM)-based orbital angular momentum (OAM) Bell-sate analysis. By the implementations of entanglement swapping with the SAM and OAM Bell-state measurements subsequently, the OAM entanglement states (qudits) are generated and then transferred between photons in multi-dimensional Hilbert space in a point-to-point fashion. In the proposed scheme, two pairs of the SAM-based OAM hybrid entanglement photons are deployed to conduct the successive SAM and OAM Bell-state measurements. It provides an alternative technique to transfer pure OAM Bell-states in qudits, which illustrates a possible experimental approach for devising a full repeater in a complex quantum computation network where entanglement swapping serves as a critical constituent.     

Optical orbital angular momentum from the curl of polarization

We predict a new category of optical orbital angular momentum that is associated with the curl of polarization and a kind of vector field with radial-variant hybrid states of polarization that can carry such novel optical orbital angular momentum. We present a scheme for creating the desired vector fields. Optical trapping experiments validate that the vector fields, which have no additional phase vortex, exert torques to drive the orbital motion of the trapped isotropic microspheres.     

Non-Abelian gauge potentials for ultracold atoms with degenerate dark states

We show that the adiabatic motion of ultracold, multilevel atoms in spatially varying laser fields can give rise to effective non-Abelian gauge fields if degenerate adiabatic eigenstates of the atom-laser interaction exist. A pair of such degenerate dark states emerges, e.g., if laser fields couple three internal states of an atom to a fourth common one under pairwise two-photon-resonance conditions. For this so-called tripod scheme we derive general conditions for truly non-Abelian gauge potentials and discuss special examples. In particular we show that using orthogonal laser beams with orbital angular momentum an effective magnetic field can be generated that has a monopole component.     

Acousto-optic generation of orbital angular momentum states of light in a tapered optical fiber

We demonstrate an acousto-optic mode converter based on a tapered optical fiber to efficiently generate orbital angular momentum states of light. In our scheme an acoustic wave is deployed to the waist of tapered optical fiber where two degenerate HE₂₁ modes leading to +1 and −1 orbital angular momentum eigen-modes are resonantly excited. The excitation of TM₀₁ and TE₀₁ modes is suppressed by enlarging the intermodal index difference between near-degenerate spatial modes. Numerical calculation for optimization of the taper diameter is provided. The experimental characterization of generated states is performed by analyzing the output far-field pattern and the spatial interference fringes with a uniform reference beam.     

Linear and angular momenta in tightly focused vortex segmented beams of light(Invited Paper)

We investigate the linear momentum density of light,which can be decomposed into spin and orbital parts,in the complex three-dimensional field distributions of tightly focused vortex segmented beams.The chosen angular spectrum exhibits two spatially separated vortices of opposite charge and orthogonal circular polarization to generate phase vortices in a meridional plane of observation.In the vicinity of those vortices,regions of negative orbital linear momentum occur.Besides these phase vortices,the occurrence of transverse orbital angular momentum manifests in a vortex charge-dependent relative shift of the energy density and linear momentum density.     

用波晶片相位板产生角动量可调的无衍射涡旋空心光束

本文提出了一种用波晶片产生无衍射涡旋空心光束的新方案. 根据晶体双折射的性质, 设计波晶片的厚度, 在一块晶体薄片上对o光和e光分别形成各自的四台阶相位板, 线偏振光入射到该相位板后, o光和e光衍射按强度叠加, 利用准伽利略望远镜系统聚焦, 得到近似无衍射涡旋空心光束. 光路简单, 调节方便. 在近轴条件下, 运用菲涅耳衍射理论和经典电磁场角动量理论, 数值模拟计算了周期数不同的两块波晶片相位板衍射光强和角动量的分布, 结果表明: 两块相位板都能在较长距离内产生近似无衍射涡旋空心光束, 光强和轨道角动量的分布与螺旋相位板产生的涡旋光束基本相同. 在衍射光路中加入相位补偿器, 调节o光和e光的相位差可以调节自旋角动量的大小, 从而可以调节总角动量密度和平均光子角动量的大小. 用这种空心光束导引冷原子或冷分子, 原子在与光子相互作用过程中可获得可调的转动力矩.     

光子的动量矩

在动量表象中光子的波函数是满足横波条件的矢量函数Ａ（ｋ），由于横波条件的限制，光子量轨道动量自旋动量矩不再具有直接的物理意义，真正有物理意义的是光子的总动量矩，动量矩具有确定值的光子态可分为两类，分别有相反的宇称。