量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2022年第1期

• 光子轨道角动量量子态传输研究进展

  徐凯♯,曹洹,♯,张超∗,胡晓敏,黄运锋∗,柳必恒,李传锋∗

  携带轨道角动量 (OAM) 的光束理论上拥有无限个相互正交的本征态, 因此可以作为独立信息传输光束促进大容量经典光通信的发展。在量子信息领域, 近年来高维量子系统因为有更大的信道容量和更强的抗噪声能力引起了研究人员的极大兴趣, 而光子 OAM 出色的维度拓展能力使其成为实现高维量子系统的重要手段。综述了光子 OAM 传输的研究进展, 重点介绍和分析了自由空间、光纤以及水下等多种传输方式下 OAM 量子叠加态和纠缠态分发工作, 并对实际应用中面临的问题和潜在的解决方案进行了阐述, 可为相关领域研究者提供参考。

• 轨道角动量光束非线性转换研究进展

  周志远∗,史保森∗

  轨道角动量 (OAM) 是光的一个重要的自由度。由于携带 OAM 的光束具有特殊的强度相位分布以及力学效应, 使得此类光束在高速光通信、测量、成像、光镊和量子信息中具有广泛的应用。关于 OAM 光束在准相位匹配晶体 (QPM) 中的频率变换研究，一方面可以研究 OAM 光束参与非线性相互作用时与高斯光束不同的物理机制; 另一方面, 非线性过程提供了多种有效的光场调控手段, 可以实现携带 OAM 光场不同自由度的精细调控, 为满足不同的光学应用奠定基础。综述了近十年来 OAM 光束在 QPM 晶体中的非线性转换研究主要进展, 具体包括: 非线性过程中 OAM 光束的守恒、传输、演化和干涉行为研究, 高效率的 OAM 激光和单光子态频率转换研究, OAM 频率转换效率模式非依赖性研究, 矢量光束的频率转换研究, 以及无后向选择的高维OAM 纠缠态的制备研究。最后讨论和展望了 OAM 在 QPM 晶体中频率转换方面的未来研究趋势。

• 艾里涡旋及其衍生光场

  潘婧,王豪,付星,柳强,∗

  艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束, 在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性, 同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性, 也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口, 系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性, 包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用, 以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等, 为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考, 进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础, 对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。

• 综述: 基于轨道角动量光子态的 高维量子密钥分发

  王纺翔,陈巍,∗

  信息安全是国家核心竞争力的重要组成部分, 量子密钥分发 (QKD) 利用量子力学基本原理对信息实现计算复杂度无关的安全加密, 是下一代信息安全技术的重要选项。经过三十多年的发展, 以结合诱骗态的 BB84协议为代表的 QKD 方案已经非常成熟, 并逐渐开始了规模化部署。持续探索基础方案和核心技术是推动 QKD发展的基础动力。在单回合通信中, 基于高维量子态编码的高维 QKD (HD-QKD) 技术具有更高的信息承载效率和更强的抗噪声能力, 因而具有重要的发展和应用潜力，已成为当前 QKD 领域的重要研究方向之一。光子的轨道角动量 (OAM) 自由度原则上具有无穷维希尔伯特空间, 是实现 HD-QKD 的重要物理资源。重点回顾了基于 OAM 光子态的 HD-QKD 的发展历程, 梳理并讨论了该研究方向的主要技术成果和面临的关键技术问题,并展望其未来发展趋势。

• 聚焦场自旋-轨道角动量相互作用的研究进展

  吴一京,余盼盼,刘易凡,王自强,李银妹,龚雷,∗

  光同时具有自旋和轨道角动量属性, 它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下, 光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下, 如紧聚焦或者散射光场中,光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中, 紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域, 近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法, 自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。

• 光子轨道角动量的量子操控与应用

  茹世浩,王啸,王云龙,王斐然,刘瑞丰,张沛,李福利,∗

  光子轨道角动量具有光学涡旋结构和高维特性, 在经典和量子领域都展示出巨大的应用潜力。基于本课题组的研究工作, 综述了如何在实验上实现高维量子逻辑门, 如三比特的 Toffoli 门和 Fredkin 门等, 以及利用偏振和轨道角动量的超纠缠特性对不同模式的振幅和相位进行调制。进一步介绍了深度学习算法在坐标系未校准条件下进行光子轨道角动量模式精确识别的应用研究。此外, 还介绍了利用量子隐形传态技术实现不同光学自由度间量子态传输以及四维光子轨道角动量贝尔态的制备方案。

• 矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术

  付时尧,∗,海澜,宋睿,高春清,∗

  矢量涡旋光束是一种新型的结构光场, 具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布, 在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入, 对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高, 给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外, 如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究, 提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作, 包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等, 并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。

• 基于光取向液晶叉型光栅的涡旋光产生器

  王华才,曹瀚,于宏冠,陈鹏,胡伟∗

  具有螺旋相位的涡旋光因其坡印廷矢量绕轴旋转而携带光子轨道角动量, 其产生和变换也伴随着轨道角动量的变化。光子轨道角动量在经典光学与量子信息领域均受到强烈的关注。目前已开发出一系列轨道角动量加载和调制的成熟方法, 光取向液晶叉型光栅就是其中重要一类。光取向技术适用于液晶微结构的高分辨灵活制备, 极大地提升了涡旋光及其阵列的产生与调制能力。综述了光取向液晶叉型光栅在涡旋光场产生与调制方面的相关研究, 具体介绍了二元与偏振叉形光栅、达曼叉形光栅、具有螺旋结构的达曼叉形光栅在涡旋光场产生及其阵列化和宽带应用方面的最新进展。

• 高阶衍射级光束的轨道角动量

  樊海豪,朱刘昊,台玉萍,李新忠,∗

  为研究高阶衍射级光束的轨道角动量, 基于计算全息法在空间光调制器的傅里叶平面产生了不同衍射级的完美涡旋光束, 并利用球面波干涉法对其拓扑荷值进行了测量。理论和实验结果表明不同衍射级 p 上的整数阶和分数阶完美涡旋光束的拓扑荷值 l 都满足 l = mp 的关系, 其中 m 是相位掩模板的拓扑荷值。并进一步对不同衍射级的光学涡旋阵列进行了实验研究, 结果表明光学涡旋阵列中光学涡旋的拓扑荷值满足 l = p 的关系,高阶衍射级上的衍射光束比 +1 级衍射光束具有更大的轨道角动量。该研究为光学涡旋及光学涡旋阵列进一步的研究及应用提供了理论和实验参考。

• 完美平顶涡旋光束

  姜嘉琪,CarmeloRosales-Guzman,朱智涵∗

  由于能够提供独特的光-物质交互界面, 携带净轨道角动量的各类涡旋光束成为光场调控研究的热点问题。随着相关研究的不断深入, 光镊以及非线性光学领域都特别需要一种具有均一空间强度分布且无曲率相位梯度的 “完美平顶涡旋” 光束。针对这一问题, 从理论出发基于超高斯模型提出 “完美平顶涡旋” 的复振幅计算全息产生技术, 并利用相位型空间光调制器构成的数字傅里叶变换系统实验论证了 “完美平顶涡旋” 在焦场区域的可控产生与调控, 重点阐述了在给定孔径限制条件下获取光滑涡旋奇点的强度控制原理及方法。

• 基于缺陷镜的空心结构光束直接产生研究

  周伦滨,王冬,徐斌∗,廖廷俤

  空心光束是一种重要的结构光, 是光场调控研究领域的热点之一。拉盖尔-高斯光束是一种典型的空心光束, 因其螺旋状相位且携带轨道角动量, 因而也被称为涡旋光。涡旋光在光通信、量子纠缠和超分辨成像等领域有着极高的应用价值。本研究以全固态两镜凹平腔 Nd: YVO4 激光器作为实验平台, 通过在输出平面镜上制造点缺陷, 达到抑制低阶高斯模式起振, 从而获得高阶拉盖尔-高斯涡旋激光输出的效果。在连续波情况下, 最高获得了16 阶涡旋激光输出; 在吸收功率为 3.3 W 时, 获得最高功率为 280 mW, 激光斜效率为 18.6%。进一步通过在谐振腔中插入 Cr:YAG 可饱和吸收体, 首次演示了具有正反手性的拉盖尔-高斯同时被动调 Q 脉冲激光, 稳定输出的最短脉冲宽度约为 232 ns, 相应的脉冲重复频率约为 229.1 kHz。本研究表明点缺陷镜是一种稳定可靠的直接产生高阶涡旋光的手段, 并且可以与被动调 Q 等固体激光技术结合产生不同运转方式的空间结构光束。

• 微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的特性

  陈波,∗,刘进,

  提升量子光源在量子信息处理方面的编码容量是量子技术发展亟需解决的问题。轨道角动量作为光子一个独特的自由度, 其空间模式分布会形成无限维完备的希尔伯特空间正交解, 因此利用光子的轨道角动量进行编码可以极大地提高信息处理的容量, 是高维量子信息处理的重要资源。具有二能级系统的量子光源可以等效成点光源, 在微纳尺度下对量子光源进行调制产生轨道角动量是拓展片上集成量子光源编码维度的有效方法之一。主要探讨了点光源在微环谐振腔中产生轨道角动量叠加态的特性。首先介绍了角向光栅对微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的调制机理; 然后研究了微环谐振腔的腔量子电动力学效应对点光源辐射子的辐射速率和收集效率的影响, 并对单光子纯度进行了分析; 最后研究了点光源产生轨道角动量叠加态的电场分布、相位分布及矢量偏振特性, 不仅分析了微环谐振腔中不同位置的点光源对腔模及轨道角动量的影响, 还对出射轨道角动量叠加态的纯度进行了详细分析。该研究为集成轨道角动量光量子器件的发展提供了有效的方法, 对进一步了解微纳尺度下产生轨道角动量的机理和性质有良好的促进作用。