基于光子轨道角动量实现高维量子逻辑门与量子纠缠的研究

Compared with the two-dimensional quantum system, the high-dimensional quantum system has special advantages in the verification of basic quantum principle, quantum secret communication, and quantum computation, etc. Photon’s orbital angular momentum (OAM) quantum states can form an infinite-dimensional Hilbert space, which is an ideal carrier for studying high-dimensional quantum systems and their applications. In this project, we will realize the high-dimensional quantum logic gates and quantum entanglement based on the OAM quantum states. Firstly, using OAM quantum states to implement the high-dimensional quantum logic gates, which mainly include cyclic transformation, swap gate and control logic gate. In addition, sixteen different two-photon maximum entanglement states, i.e., a set of complete Bell basis, will be prepared experimentally by using the high-dimensional swap gate and phase transformation. These work will provide new methods for further study of the characters of high-dimensional quantum systems and will have an important impact to science fields.

高维量子系统相比于二维量子系统在基本量子原理验证、量子保密通信、以及量子计算等方面具有特殊的优越性。光的轨道角动量（OAM）量子态可以构成一个无穷维的希尔伯特空间，是研究高维量子系统及其应用的一个理想客体。本项目以光子高维OAM为载体，开展高维量子系统中的量子逻辑门与量子纠缠的研究。在实验中实现基于OAM量子态的高维逻辑门，主要包括循环变换门（Cyclic Transformation）、交换门（Swap Gate）以及控制逻辑门等。其次，利用这些高维逻辑门，制备出十六个正交的双光子四维最大纠缠态，即一组完备的四维贝尔态基矢。这些工作将为进一步研究高维量子系统的性质以及其在量子计算中的应用提供新的手段和方法，具有重要的科学意义。

在量子信息过程中，光子作为一种常用的信息载体，拥有多个自由度，如偏振和轨道角动量等。其中光子的偏振被广泛用于量子通信、光通信和光学传感等领域，而携带轨道角动量的光子在自由传播时拥有非常复杂的空间结构，其理论上可以产生无限维度的离散的希尔伯特空间。基于这种特性，光子的轨道角动量在高维量子信息、大容量高可靠性光通量和精密光学测量等方面具有重要的应用，同时这些应用的实现离不开高维量子操作和高维量子控制。.本项目以光子高维OAM为载体，开展高维量子系统中的量子逻辑门与量子纠缠的研究。在项目的资助下，我们取得了一些研究成果，具体如下：1，改进了并优化了现有四维量子逻辑门的方案降低了光子损耗，利用光子二维偏振态以及四维OAM量子态实现了对于四维OAM量子态的受控操作，其中包括控制循环、交换门等操作，为进一步实现高维量子态的任意操控提供了新的方法；2，利用光子偏振以及OAM自由度，实现了三比特的Fredkin门，同时利用Fredkin门制备了类GHZ的量子纠缠态，并验证了量子力学的互文性；3，利用轨道角动量以及偏振自由度，设计并通过实验验证了一种确定性Toffoli门方案，该方案不需要借助辅助比特以及后选择。此外，在该方案中可以使用受控的非门来制备贝尔态；4，基于量子隐形传态技术，通过双光子OAM纠缠通道将偏振自由度中的单光子态转移到另一个光子的轨道角动量量子态中，实现了远程量子态的传输；此外，通过改进已有的实验方案制备了十一维OAM空间中的最大纠缠态，并利用该纠缠态研究了高维量子态对于量子导引过程中噪声鲁棒性的问题。以上一系列工作，为进一步在光子OAM体系实现高维量子计算以及量子信息提供了方法，并拓展了新的思路，具有重要的研究意义。