释放量子潜能：利用 QDs 和 OAM 获得高维量子态
发布时间：2023-09-08 10:21:21 阅读数： 43
通过量子点源设计基于粒子内和粒子间轨道角动量纠缠态的灵活平台方案。资料来源：Nicolò Spagnolo。
量子技术的未来取决于对迷人的量子力学概念（如高维量子态）的利用。将这些状态视为量子信息科学和量子技术的基本要素。为了操纵这些状态，科学家们转向了光，特别是一种名为轨道角动量（OAM）的特性，它涉及光在空间中如何扭曲和转动。这里有一个问题：以确定性的方式制造具有 OAM 的超亮单光子一直是一个难以攻克的难题。
现在，量子点（QDs）这一具有巨大潜力的微小粒子出现了。来自罗马萨皮恩扎大学、巴黎萨克雷大学和那不勒斯费德里科二世大学的研究团队将 OAM 的特性与 QDs 的特性相结合，在两种尖端技术之间架起了一座桥梁。
他们的研究成果发表在《先进光子学》上。
那么，创新在哪里？他们搭建的这座桥梁可以灵活地实现两个目标。首先，它可以制造在 OAM 偏振空间内纠缠的纯单光子，研究人员可以直接对其进行计数。其次，这座桥还能制造量子世界中强相关的光子对。它们是纠缠在一起的，因此每个单光子的状态都不能独立于另一个光子的状态来描述，即使它们相距甚远。这对量子通信和加密来说是件大事。
这个新平台有可能在粒子内部和粒子之间创建混合纠缠态，所有这些都属于高维希尔伯特空间。一方面，研究小组实现了纯单光子的产生，其量子态在混合 OAM 极化域内表现出不可分离性。
拟议协议的概念方案。以近乎确定性的方式操纵由 QD 光源产生的单光子的偏振和 OAM，通过 q 板使这两个自由度相互作用，产生粒子内纠缠态。在粒子间机制中，两个光子在由偏振和 OAM 组成的混合空间中以特定状态为特征，通过分束器发生干涉。通过对重合次数的后选择，实现了一个概率纠缠门。资料来源：Alessia Suprano。
通过利用几乎确定性的量子源与q板（一种能够根据单光子偏振调整OAM值的设备）相结合，研究人员可以通过单光子计数直接验证这些状态，从而避免了预示过程，提高了生成速度。
另一方面，研究小组还利用单光子内部的不可分性概念作为资源，生成在混合 OAM 偏振空间内具有纠缠性的单光子对。
罗马萨皮恩扎大学物理系量子信息实验室主任 Fabio Sciarrino 教授说："提出的灵活方案代表着高维多光子实验向前迈进了一步，它可以为基础研究和量子光子应用提供一个重要平台。
简单地说，这项研究是我们寻求更好的量子技术过程中的一次飞跃。它就像连接了两座大城市。这种连接为量子计算、通信以及更多领域带来了令人兴奋的可能性。因此，请密切关注--这不仅是科学，更是未来。
参考资料
Alessia Suprano et al, Orbital angular momentum based intra- and interparticle entangled states generated via a quantum dot source, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046008
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