基于光子轨道角动量的量子纠缠调控与高维量子信息处理

量子信息学是当前国际上物理学研究的热门领域之一。目前 ，基于光学手段的量子信息处理，基本上都是利用光子的偏振自由度。而单个光子的偏振态，仅能实现一个二维量子比特编码。近年来，科学家发现光子不仅携带自旋角动量（与圆偏振相关），还可携带轨道角动量。而轨道角动量的重要意义在于，可利用单个光子来构建一个高维的Hilbert空间，从而实现一个高维量子态的编码。目前，国际上将光子轨道角动量和量子信息处理结合在一起的研究尚比较少。因此，本项目研究自发参量下转换光子对自旋和轨道角动量的量子纠缠调控及基于光子轨道角动量纠缠的高维量子信息处理，如高维量子态隐形传送和纠缠变换的轨道角动量版本，非定域的螺旋数字鬼成像技术，自旋-轨道超纠缠所隐含的偏振奇异拓扑之间的量子关联性，这些研究不仅在基础物理，如验证量子力学非定域理论等基本概念，而且在应用物理，如显著提高当前量子网络的信息容量，都具有重要的意义。

在该青年基金的资助下，项目负责人陈理想教授在近3年的时间里，就光子轨道角动量的调控，开展了一系列系统深入的理论研究，并开始涉及到部分的实验工作。主要成果如下：(1) 在该青年基金的资助下(以及厦门大学985平台和中央高校基本科研业务费)，陈理想教授已经购置了相关仪器设备，基本建成了厦门大学物理系“量子光学实验室”；(2) 在该青年基金的资助下，陈理想教授已经以第一作者/通讯作者发表了一系列高水平的科研论文，包括Nature旗下期刊Light, Scientific Reports 各1篇;美国物理学会期刊Physical Review Letters 1篇,美国光学学会期刊Optics Express 4篇，Optics Letters 2篇等。(3) 其中，代表性工作如下：陈理想教授在Physical Review Letters上首次模仿法拉第旋光效应，实验演示了一种新颖而高效的轨道角动量分离技术，该工作被《Asia Pacific Physics Newsletters》专文报道(Research Highlights). 他还率先在理论上提出了超纠缠浓缩协议；在实验上，还利用轨道角动量的高维纠缠态，完成了对特定相位物体的非定域数字螺旋编码，该工作以“Quantum digital spiral imaging”为题发表在Nature出版集团旗下新办光学类期刊《Light: Science & Applications》。项目负责人陈理想均为这些工作的通讯作者。