光子轨道角动量纠缠实现量子存储

中国科学技术大学郭光灿院士带领的中科院量子信息重点实验室史保森小组在高维量子中继研究方向取得重要进展,首次在国际上实现了光子轨道角动量纠缠的量子存储,进一步证明了基于高维量子中继器实现远距离大容量量子信息传输的可行性。相关研究已发表于《物理评论快报》。     

基于标记配对相干态和轨道角动量的量子密钥分配

针对标记配对相干态(HPCS)下量子密钥分配协议采用极化编码和相位编码带来基的依赖性问题,研究了基于HPCS和轨道角动量(OAM)的非对称信道测量设备无关的量子密钥分配协议。分析了该协议在不同距离比率下的平均光子数、误码率、密钥生成率与信道传输损耗的关系。在HPCS和OAM下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关的量子密钥协议的性能优劣。仿真结果表明:采用HPCS弥补了弱相干光源和标记单光子源的不足,大大减少真空脉冲并增加了单光子脉冲;随着信道传输损耗的增大,密钥生成率和安全传输距离逐渐减小,但非对称信道的性能仍优于对称信道的。     

相干态与量子角动量算符

将二维相干态视为二维复旋量，推导出量子角动量的Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ表示。     

二粒子态控制双向量子隐形传态（英文）

为实现二粒子态的控制双向量子隐形传态,基于张量分析、贝尔基测量和冯·诺依曼测量等方法,提出二粒子态控制双向量子隐形传态的通道准则,准则中,选择九粒子纠缠态为量子通道,并给出任意九粒子纠缠态能否作为量子通道的必要条件.基于该条件,控制者完成冯·诺依曼测量后,通道被分为单通道、双通道、三通道和四通道.以双通道为例进行计算分析,在Alice、Bob和Controller的共同作用下,经冯·诺依曼测量后进行贝尔基测量和对应的幺正变换,最终实现Alice和Bob之间量子态的交换,通过双通道的隐形传输,验证了所提准则的可行性并给出量子通道选择的一般方法.     

HOBr/DOBr态到态光解动力学的量子波包研究（英文）

本文基于高水平的多参考组态相互作用计算,报导了HOBr的最低三个单重态的三维势能面.并且对该分自的光解离过程用实波包传播的方法进行了量子动力学研究,不仅计算结果得到了吸收光谱,而且还产生了光解产物的内态和角度分布.结果与在紫外区域测得的HOBr的总吸收截面定量吻合,并很好的重现了实验上在266 nm处观察到的振动冷和转动热的光解OH/OD产物.此外,预测了OH/OD的反冲各向异性参数接近平行跃迁的极限值,表明在266nm处从基态(1~1A')到2~1A'态的面内跃迁是一个快速的解离过程.这与实验上从测量转动取向得出的结论-致.然而,想要实现与实验上的定量一致,还需要考虑自旋和电子角动量的影响.     

基于轨道角动量的多用户量子身份认证协议

提出了基于光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的多用户量子身份认证协议。协议首先以光子OAM编码分布式网络节点,网络节点与子服务器之间共享光子OAM纠缠态。可信中心以相位因子分组网络用户,以OAM的纠缠特性实现不同光子OAM的隐形传态。协议利用量子信息保证了认证系统的安全性,以光子OAM实现了网络系统的多用户的同时认证。当OAM态具备两个正交极化方向时,拓扑态的拓扑荷值为l_i(i=1,2,…,4)时,身份认证系统的量子认证效率可提高2×l_i倍。     

水下轨道角动量态传输特性的实验研究

通过实验方法研究轨道角动量(OAM)态水下传输特性。首先搭建OAM态水下光通信系统,然后通过OAM态展开谱和接收到的初始及其相邻OAM态概率变化曲线来研究其水下传输能力。实验结果表明:随着盐度的增加,初始OAM态的概率明显降低;相邻OAM态的传输概率随着拓扑荷间隔的增加而减少。     

衍射深度神经网络下轨道角动量态的校正

衍射深度神经网络(D2NN)通过无源衍射层的深度学习,可实现快速高效的深度学习功能。利用多组不同湍流强度干扰下的轨道角动量(OAM)态和目标OAM态组成的训练数据集对设计的D2NN网络组件进行训练,更新和优化组件中各参数,直到由D2NN输出的OAM态与目标OAM态的平方误差损失函数达到预定的阈值,便可获得实现高速、高精度的OAM波前校正的D2NN组件。测试结果表明：D2NN迭代次数、衍射层数、训练参数的选择会对组件的校正速度和准确度产生影响,通过D2NN可以实现受大气湍流干扰的OAM态的高精度校正;当大气湍流强度为10^-14 m^-2/3、D2NN网络层层数为8时,组件性能最佳,其损失函数相比5层网络层的D2NN降低超过45.45%;而对于更强大气湍流的干扰,可以通过增加网络训练时的迭代次数来提高校正的准确度,迭代20次后损失函数的值降低率达到98.03%;对于湍流强度较弱的干扰,训练时采用纯相位参数,组件的性能更优;而对于强湍流的干扰,训练时采用相位参数与振幅参数两者相结合的方法,组件的性能更优;除此之外,OAM态的拓扑荷值越小,校正后的失真...     

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.     

三能级单量子态控制双向量子隐形传态（英文）

采用张量表示和广义三维贝尔基测量的方法,提出了实现三能级单量子态控制双向量子隐形传态的协议.协议中,控制者Carol的量子态为任意广义三维贝尔基.选择六粒子纠缠态作为量子通道,并给出了判断任意六粒子纠缠态能否作为量子通道的必要条件.基于该条件,借助SO(3)群元素的幺正性,选择其任意两个元素作为幺正矩阵,给出了构建量子通道的一般方法.列举了两个具体构建量子通道的例子,其中Alice、Bob、Carol共同作用,进行相应的广义三维贝尔基测量和对应的幺正变换,最终实现了Alice和Bob之间量子态的交换,从而验证了所提协议的可行性.     

基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发

提出了一种基于标记配对相干态(HPCS)和轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发(RRDPS-QKD)方案,以光子轨道角动量作为信息载体,使用多种不同拓扑荷的轨道角动量的叠加态进行RRDPS-QKD的信息编码,显著提高了密钥生成率。使用HPCS作为量子光源,有效减小了空脉冲和多光子脉冲的比例,提高了密钥生成率。分析了光源在湍流大气信道中的传输特性,考虑了信道衰减和大气湍流对系统性能的影响。     

宏观量子叠加态（薛定谔猫态）特性

薛定谔猫态是宏观可区分的量子叠加态，本文推导两个成份的光学猫态的平均光子数，二阶相干度的表达式及猫态的光子数分布，揭示出猫态的某些性质。     

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.     

螺旋相位光束轨道角动量态测量的实验研究

对螺旋光束的轨道角动量态的测量技术进行了实验研究.建立了一套利用Mach-Zehnder干涉仪测量光束轨道角动量态的系统,对利用空间光调制器生成的携带不同轨道角动量的光束进行了测量,通过Mach-Zehnder干涉仪分离出了具有不同角量子数的螺旋光束. 关键词： 轨道角动量 空间光调制器 Mach-Zehnder干涉仪     

基于自发参量下转换的光子轨道角动量量子纠缠

作为光子重要自由度之一,轨道角动量(OAM)在光量子信息研究中占据着重要地位。将其与偏振等光子的其他自由度相结合,可实现多自由度光量子信息处理。此外,由于其具有天然的离散高维属性,故其是开展高维量子信息处理研究的最佳自由度之一。基于自发参量下转换非线性光学过程能够便捷地获得OAM纠缠源。近年来,光子OAM量子纠缠的研究受到了广泛关注,在多自由度、高维和多光子等多个方向都取得了重要进展。然而,该领域尚有诸多悬而未决的关键科学问题亟须深入研究,包括如何实现高效高质的OAM分离,如何实现更高维度的频率转换,如何提升多自由度纠缠源的品质,如何获得更多维度、更多光子的高维纠缠态以及如何构建可行的高维量子门等。从光子OAM最基本的二维操纵着手,综述了单光子OAM量子态调控、双光子及多光子OAM纠缠操纵。围绕多自由度、大角动量和高维等特性,从生成、调控、测量及应用等角度系统讨论了光子OAM量子纠缠。同时,探索了解决本方向关键科学问题的一些可能解决途径。     

利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展

涡旋光束是一种携带有轨道角动量的光束,在光学扳手、光通信、旋转探测等领域具有重要的应用价值.由于轨道角动量态是涡旋光束的特征值,因此如何探测光束的轨道角动量态分布至关重要.国内外学者已经提出了多种探测涡旋光束的技术,如干涉法、衍射光栅法、多普勒分析法、超材料表面法等.这些技术中,衍射光栅测量法较为简单易行,应用较广.本综述主要介绍了几种当前利用衍射光栅测量涡旋光束轨道角动量态的主流方法,同时也介绍了如何利用衍射光栅来测量光束的轨道角动量谱.     

利用光束的轨道角动量实现高密度数据存储的机理研究

光束的轨道角动量本征态可以构建高维Hilbert空间，将之应用于数据存储中，可以实现比传统方法更高的数据存储密度.提出了一种用光束轨道角动量实现高密度数据存储的方法，对存储区域进行相位编码，通过探测透射光束轨道角动量谱(螺旋谱)的特征来区分由相位编码形成的不同数据态.四台阶结构相位编码可以实现57个不同的数据态，有望将数据密度提高为传统方法的近6倍. 关键词： 光束轨道角动量 光学存储 高密度存储     

通过四比特|χ〉态实现任意量子态的量子隐形传态方案（英文）

提出了一个将四比特|χ〉态作为量子通道实现任意单量子比特和两量子比特的量子态的隐形传送方案.该方案依赖于两个通信站点之间的纠缠.在这个方案里,我们给出了Alice的测量结果以及Bob进行的相应的幺正操作,计算结果表明,该隐形传送方案是完美的,也就是说它的成功概率可达到1.此外,该方案中用到的测量以及纠缠通道的制备在目前的技术下是完全可行的.因此,我们的方案有望在实验上实现.     

量子角动量理论新探

用完全初等的方法推导了量子力学角动量理论中Ｃｌｅｂｓｃ－Ｇｏｒｄａｎ系数，３ｊ系数，所用的 是一些初等排列的组合一量子力学基本知识；同时，在实际问题计算中，只需直接应用简单的推导方法本身是一种极为简捷的算法。