基于轨道角动量的高维贝尔态产生

作     者：寇芸洁 范亚男 朱雁兵 尚佳奇 王斐然 

作者机构：西安工程大学理学院 

出 版 物：《光通信研究》 (Study on Optical Communications)

年 卷 期：2024年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(11804271) 

主　　题：量子通信 光子轨道角动量 高维纠缠态 

摘      要：【目的】量子通信是一种具有广阔应用前景的新型通信方式，其与经典的信息科学技术相结合，具有无条件安全性以及对信息的高效传输等特性，是当今通信领域的研究热点。高维量子纠缠通常具有很强的非局域性，能够更好地保障量子通信过程中的安全性，在量子通信和量子计算中扮演着至关重要的角色。【方法】为了满足量子信息科学对高维量子纠缠态的需求，文章提出了一种基于光子轨道角动量的高维贝尔态的产生方法，能够高保真度的生成所需的完备的贝尔态基矢。文中首先研究了光子轨道角动量的自发参量下转换过程，并进一步利用遗传算法对泵浦光的量子态进行优化，以获得所需的高维最大纠缠态。文章详细分析了拉盖尔高斯光束的特性，并探讨了其在自发参量下转换过程中的应用，通过优化泵浦光的各参数，在三维、四维和五维空间中产生了最大纠缠态。【结果】通过空间模式光谱分布对比表明，优化后的纠缠态与目标态具有更高的保真度。此外，通过模拟产生16个贝尔态，验证了生成的量子态能构成四维希尔伯特空间的完备基。【结论】文章所提方案不仅实现了高维纠缠态的有效产生，也使更长距离的量子通信，甚至在全球范围内实现量子通信系统成为可能。而且为量子通信和量子计算领域中的高维纠缠态的应用提供了新的途径，对推动量子信息科学的发展具有重要意义。