利用光子轨道角动量实现高维量子体系以及其在量子信息中的应用研究

高维体系在量子保密通信、量子力学的基础验证和高效率量子逻辑门方面具有广泛的应用和天然的优势。本项目将利用光子的轨道角动量实现高维希尔伯特（Hilbert）空间，在理论上研究高维体系的特点和性质，并在实验上制备高维单光子态和高维双光子纠缠态，并将这种高维态作为资源，进行量子密钥分配和量子密集编码实验研究，以及高维量子计算的相关研究。本项目主要围绕利用光子轨道角动量空间产生的高维量子体系，展开高维量子信息的理论和实验研究，为量子保密通信和量子算法提供这方面的理论支持和实验证明。

高维体系在量子保密通信、量子力学的基础验证和高效率量子逻辑门方面具有广泛的应用和天然的优势。本项目主要利用光子的轨道角动量实现高维量子体系。在量子计算研究方面，我们提出了基于光子轨道角动量的量子随机行走方案；实验上演示了量子Deutsch算法，并提出了两种实现Deutsch算法的理论方案。在量子通信方面，提出了利用光子频率和轨道角动量转换的方法，解决了量子通信在光纤传输的问题；实验上还实现了参考系无关的量子密钥分配方案，通过集成光学方法，使得QKD在移动设备上的使用成为可能。在基础光学研究方面，我们提出了可以通过原子电磁诱导透明(EIT)效应实现光的横向模式区分的方法，可以有效解决轨道角动量体系和原子体系的融合；另外我们通过空间光调制器产生了携带各种轨道角动量的光子，利用我们提出的理论和方法，在实验实现了光子轨道角动量的区分和标定。双光子轨道角动量纠缠态实验上也已经产生，相关的实验研究正在进行中。总体而言，我们完成了项目的预期目标，在基于光子轨道角动量实现高维量子体系以及其在量子信息中的应用研究中，取得了重要的成果，积累了丰富的经验。目前该方面的深入研究工作已获得国家自然科学基金委的青年－面上连续项目资助。