基于光子角动量的量子计算和量子密码研究

The angular momentum of photon contains spin part and orbital part, which corresponding to polarization and helical mode, respectively. Because of the high-dimensional property, the orbital angular momentum has attracted more and more attentions with the improvement of technology, especially the improvement on high-order modes supporting fiber fabrications. This project is based on the study results of Youth Funding, and mainly focus on the applications of orbital angular momentum assisted with spin angular momentum, including high-dimensional quantum computation and quantum cryptography. We will study the fundamental property of several different laser modes which carry the orbital angular momentum. Meanwhile, based on high-dimentional entangled states, we will start with the realization of two-dimentional quantum CNOT gate, then aim to high-dimentoinal quantum gate and the demonstration of quantum algorithm and computation. For quantum cryptography, we will implement the reference-frame-independence quantum key distribution protocol using orbital angular momentum, and try to do some studies on dense-coded quantum key and quantum communication. The research of this project will provide theoretical and experimental experiences on quantum computation and communication based on orbital angular momentum of photon.

光子角动量包含自旋（光的偏振）和轨道（光的横模）两部分。光子轨道角动量的由于其具有高维特性，加上近年来随着技术的进步，特别是支持高阶模式传输光纤的出现，其在量子信息和经典通信领域的研究越来越多的引起科学家的重视。本项目将在青年基金项目取得的基础上，进一步开展应用研究，主要利用光子的轨道角动量，辅助光子自旋角动量，实现高维量子计算和量子密钥分配。研究各种携带光子轨道角动量的激光模式的基本性质；同时，在量子计算方面，以双光子高维纠缠态为基础，首先实现两维的CNOT门，再实现高维量子逻辑门，进而实现高维量子算法，演示量子计算过程；在量子密钥分配方面，拟利用光子轨道角动量实现不需要对准参考系的量子密钥分配方案，并且开展高维密集编码的量子密钥和量子通信研究。该项目的开展，将为基于光子轨道角动量的量子计算和量子通信提供理论和实验基础。

光子角动量包含自旋（光的偏振）和轨道（光的横模）两部分。光子轨道角动量的由于其具有高维特性，在量子信息和经典通信领域的研究越来越多的引起科学家的重视。本项目在青年基金项目研究的基础上，进一步深入开展基于光子轨道角动量（OAM）的量子信息研究。在项目的资助下，我们在四个方面取得了一系列研究成果：1.光的轨道角动量态的产生、操控和鉴别，我们基于不同原理，提出了多种OAM态测量和操控方法，并在实验上给予了验证。其中基于旋转多普勒效应的方法可以实现OAM模式谱和模式之间相位的快速精确测量，在高维OAM探测方面有着重要的意义。2. 基于OAM高维量子系统，我们开展了高维量子计算研究，在理论和实验上研究量子随机行走算法、量子Deutsch算法、量子排序算法等，取得了具有影响力的研究成果；3. 实现了参考系无关的集成量子密码系统，解决了量子密码应用中的抗干扰和小型化难题。同时我们还提出了高维量子密码方案，理论上可以通过单光子高维编码，实现高码率的量子密钥分配。4. 合作竞争关系，在人类社会中非常的普遍。赌博属于博弈的一种，而在这类博弈中，如何保证博弈的公平性一直是一个难题。我们将博弈论中的关键概念和方法融入量子信息论，创建出一种新的协议，以确保双方采用的策略将达到纳什均衡点，并利用量子力学的原理保证了公平性。该研究工作为解决合作竞争中的公平性问题提供了一种新的思路。项目实施期间，以第一作者或通信作者在物理学高水平期刊Light: Science & Applications、Physical Review Letters、Physical Review A、Scientific Reports、Optics Letters、Optics Express等发表论文18篇，部分论文受到国际同行和媒体的高度关注。