Advanced Photonics2023年第4期Theme Issue on "Orbital Angular Momentum"专题文章：
研究背景
轨道角动量（OAM）是光子的量子态之一，携带OAM的光子在计量、成像、粒子捕获和通信等领域都具有广泛的应用，由于OAM能够形成一个无限维完备的Hilbert空间（一种具有无限维度的独特物理自由度），因此还适用于量子比特编码实现增加光子的可支持信息量，进而提高通信协议的安全性。尽管携带OAM的光子具有广阔的应用前景，但传统基于非线性晶体中自发参量下转换产生单光子的方法在确定性、亮度和纯度上都不足，并且该过程产生多光子的可能性还破坏了量子密码技术的安全性，因此，开发得到具有确定性和高亮度的携带OAM的单光子源（如图1），对于突破高维量子信息处理的技术瓶颈至关重要。此外，随着量子信息研究的深入，人们对信息量的需求也越来越大，因此高维光量子态的研究也开始被人们所关注。
图1 可按需生成高维光子量子态的量子点单光子源装置示意图
目前研究者们已实现制备基于嵌入量子点的微环谐振器集成光源，但其中产生单光子的OAM状态难以控制，对于高维光量子态的研究也不够深入。近日，来自意大利罗马大学、法国巴黎萨克雷大学和意大利那不勒斯费德里克二世大学的研究人员开发了基于半导体量子点的单光子源及实现生成矢量涡旋光束的量子信息处理协议，此外还实现了高维Hilbert空间中的粒子内和粒子间纠缠。研究基于量子点单光子源实现了按需生成高维量子态的光子，该结果为推进高维量子信息技术的发展具有重要意义。相关成果以“Orbital angular momentum based intra- and inter- particle entangled states generated via a quantum dot source”为题，发表在Advanced Photonics2023年第4期。
实验设计：产生粒子内与粒子间纠缠
作者团队首先评估了单光子源发射光子的强度自相关性和不可区分性后，基于可拓展平台OAM控制器件与量子点源相接，随后利用单模光纤、偏振分束器（PBS）和q板（双折射材料薄膜）、半波片（HWP）和1/4波片（QWP）等光学装置，实现在OAM和偏振组成的Hilbert空间中产生粒子内和粒子间纠缠（如图2所示）。
图2 实验设置示意图：利用脉冲激光泵浦量子点源产生单光子，并采用测量装置分析单光子中的偏振和OAM含量
实现单光子态编码及多量子比特门
编码生成具有特定OAM态的光子：研究通过编码成功生成了具有特定OAM态的光子，并基于Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉可见性分析，证明了实验所设计的实验装置编码实现特定OAM态光子的能力。此外如图3（a）所示，研究还通过执行量子态断层扫描成像及评估CHSH不等式（贝尔不等式的扩展，便于实验检验），对产生的粒子内纠缠态质量进行了分析。
双光子纠缠实现多量子比特门的实验及验证：基于上述实验设置，研究还基于双光子纠缠，在OAM和偏振组成的Hilbert空间中实现产生了多量子比特门。如图3（b）所示，研究通过执行量子态断层扫描成像及CHSH不等式评估，对产生的粒子间混合纠缠态质量进行了分析，结果证明了本研究所开发的实验装置在产生高维纠缠量子态时所具有的优异性能。
图3 （a）粒子内纠缠：Hilbert空间中的贝尔态强度及偏振模式，单光子态测量密度矩阵的实部和虚部；（b）粒子间纠缠：双光子态测量密度矩阵的实部和虚部
按需生成量子态：在高维量子信息领域逐鹿未来
过去，科学家们在量子技术领域已取得了一系列里程碑式科学进展，包括提出了：无漏洞贝尔非局域证明实验、小时级超长时量子存储、卫星中继量子通信等。为实现更加强大的量子计算、量子通信和量子模拟等功能，近年来，高维量子信息技术已成为了最前沿、最热门的研究领域之一，但该领域的研究目前仍处于一片蓝海。本研究针对性地突破了基于传统方法产生单光子的技术瓶颈，并实现和验证了高维量子态光子的按需生成方法的有效性，研究成果弥补了限制高维量子信息技术发展的缺失。可以预见，按需生成光子量子态的方法，将助力人们在光子时代“逐鹿未来”。
论文链接：
Alessia Suprano, Danilo Zia, Mathias Pont, Taira Giordani, Giovanni Rodari, Mauro Valeri, Bruno Piccirillo, Gonzalo Carvacho, Nicolò Spagnolo, Pascale Senellart, Lorenzo Marrucci, Fabio Sciarrino. Orbital angular momentum based intra- and interparticle entangled states generated via a quantum dot source[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(4): 046008
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