第
U
巷第
1
WJ
2014
年
1
月
佛山科学技术学院学报(自然科学版
j
Journal
of
Foshan
Universitv
(l\
atural
Science
Edition)
文章编号
:1008-0171(2014)01-0005-07
用计算全息图制备
OAM
量子态
苏志链,谢嘉宁,朱传云,李
娜,余奕聪
(佛山科学技术学院光电子与物理学系,广东佛山
528000)
Vo
i. 32 t\:
().
1
Jan.
2014
摘要:介绍了一种特殊的计算全息图,它能把零阶高斯光束转变为高阶拉盖尔,高斯光束,而高阶拉盖尔-高斯
CLG)
模是光子轨道角动量
(Orbital
Angular
Momentum)
的本征态,因此相同模式的光子具有确定的轨道角动
量,利用轨道角动量编码,可以实现多维量子通信。
关键词:计算全息图
;LG
光束;轨道角动量
中图分类号
:043
1.
2
文献标志码
:A
光子是主要的量子信息载体。光子的能量、钱动量以及偏振态能用于信息编码。近年,光子的另一
个自由度倍受关注:轨道角动量
(OAM
,
Orbital
Angular
Momentum)
0
1992
年,
ALLEN
L
及其同事从
理论上证明拉盖尔-高斯
(LG
,
Laguerr-Gaussian)
光束的振幅函数含有方位角相位项
exp
Cilrp)
,光束中
的每个光子,在传播方向上具有确定轨道角动量
lh[IJ
0
1995
年,
HE
H
等采用计算全息的方法产生了
l=3
的
LG
光束,利用此光束实现了对微米量级
CuO
粒子的囚禁,实验表明轨道角动量的大小与
f
成正
比,但这种光束携带了多少轨道角动量的问题仍未解决凶。随后,
SIMPSON
N
B
及其同事于
1997
年巧
妙地设计了能测出
l=l
的圆偏振
LG
光束具有贞的轨道角动量和
h
的自旋角动量的实验装置川。
2003
年,
JENNIFER
E
Curtis
和
DA
VID
G
Grier
在实验上验证了:方位角相位项为
expCil
伊)的
LG
光束的光
子轨道角动量是
Ih[4J
。
利用光子的轨道角动量能捕获和操纵微粒的特性,人们发明了光学扳手和光学钳子,这在生物医
学
[5-6J
、流体力学川等领域有着重要的应用。在量子信息通信领域中,轨道角动量态编码比偏振态编码、
相位编码等更具吸引力,因为
OAM
具有无穷个正交态,这些态使得每个光子能携带多于一位的信息,
随着理论框架的不断完善,必能实现多维多粒子纠缠[叭同时,在地面和卫星之间的密钥分发中,这种编
码方式也有优势,因为它不必实时监控并调整通信双方的参考系[∞
9
叼
1
提高制备不同
OAM
态及其叠加态的能力对实现多维空间量子传输非常重要。
LG
光束具有确定
的轨道角动量
[11
,用模式转换器的方法可以把激光器输出的
HG
模转换为不同阶的
LG
光束,如:用两
个柱面透镜构成一个模式转换器
[l01
,可以把量子数为
m
和
n
的
HG
光束转换为量子数
l=m-n
和
p=
min(m
,
n)
的
LG
光束。但是,要用模式转换器法得到高阶
LG
光束将受限于产生高阶
HG
光束的能力,
而普通激光器输出的光束通常是零阶高斯光束。目前,已经有关于如何用零阶高斯光束产生高阶
LG
高
斯光束的报导,例如:螺旋相位波片法[lI
J
、计算全息图法
[1
川
1
等。
本文主要介绍了用计算全息图法制备不同
OAM
态及其叠加态,内容安排的顺序是:在第
1
部分简
单地证明了
LG
模是光子轨道角动量算符的本征态;在第
2
部分利用轨道角动量编码,把二维
BB84
协
收稿日期:
2013-05-09
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(61307062);
佛山科学技术学院博士启动基金资助项目;佛山科学技术学院第一
批优质课程《光电信息与技术实验》资助项目
作者简介:苏志银
0982-)
.男,广东高要人,佛山科学技术学院讲师,博士。