光子軌道角動(dòng)量在量子通信中的應(yīng)用

1、光子軌道角動(dòng)量在量子通信中的應(yīng)用光子軌道角動(dòng)量在量子通信中的應(yīng)用葉瀚禮光子量子態(tài)為軌道角動(dòng)量，當(dāng)前階段，有一定軌道角動(dòng)量廣泛的應(yīng)用于通信領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都在熱衷進(jìn)行研究，尤其是軌道角動(dòng)量已經(jīng)成為空間量子信息重要的承載體，對(duì)于量子通訊產(chǎn)生了重大影響。本文首先簡(jiǎn)單的介紹了光子軌道角動(dòng)量以及量子通訊基本概念，進(jìn)而詳細(xì)的解析了光子軌道角動(dòng)量在量子通訊的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】光子軌道角動(dòng)量量子通訊應(yīng)用解析隨之量子研究的逐步深入，我們對(duì)角動(dòng)量有了更為清晰的認(rèn)

2、識(shí)，一般認(rèn)為角動(dòng)量存在軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量?jī)煞N。而前者為光子量子態(tài)，在量子信息加載過程中涉及到的物理量有光子相位、偏振等。近年來，軌道角動(dòng)量的應(yīng)用得到了非常廣泛的關(guān)注。1光子軌道角動(dòng)量相關(guān)研究已經(jīng)表明，光束本身具備兩種角動(dòng)量態(tài)，其一和光束偏振特點(diǎn)相應(yīng)的自旋角動(dòng)量（SAM），其二指的是和光束螺旋形相位結(jié)構(gòu)存在一定關(guān)聯(lián)的光子軌道角動(dòng)量（OAM）。相較于自旋角動(dòng)量，光子軌道角動(dòng)量具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：其一，光束偏振和

3、光矢量存在一定的聯(lián)系，在光束傳輸當(dāng)中，必須對(duì)系統(tǒng)加以高效的檢測(cè)，以免因?yàn)槠x而造成不必要的麻煩，但是OAM的應(yīng)用無需通訊雙方對(duì)參考系進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和調(diào)整；其二，OAM的維特性較強(qiáng)。將OAM運(yùn)用于量子密鑰分發(fā)方案中，可以顯著提升量子密鑰生成率，同時(shí)也可以擴(kuò)大安全傳送距光子軌道角動(dòng)量態(tài)可以成為量子保密通訊信息的載體，是現(xiàn)今量子通訊領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)。因?yàn)楝F(xiàn)在的量子保密通訊系統(tǒng)通常都是使用的BB84協(xié)議和B92協(xié)議。以上兩種協(xié)議在進(jìn)行測(cè)量基以及發(fā)

4、送基比較傳送的過程中，難免都會(huì)遭遇信息丟失的情況，所以會(huì)使密鑰生成率大大下降。為實(shí)現(xiàn)密鑰生成率的提升，我們基于正交態(tài)編碼協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)一項(xiàng)通過光子軌道角動(dòng)量態(tài)實(shí)現(xiàn)通訊保密的實(shí)驗(yàn)方案。在這一方案中，激光器可以直接生成存在特定軌道角動(dòng)量光子；使用光束旋轉(zhuǎn)器測(cè)量光子軌道角動(dòng)量。圖1表示的是以軌道角動(dòng)量為基礎(chǔ)的量子保密通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)的原形為WZ干涉儀。在結(jié)果示意圖中的分束器BS1、BS2相應(yīng)的分束比均為50…50，LD1、L

5、D2表示的是脈沖激光器，分別可以直接傳送軌道角動(dòng)量h、2h的光子，經(jīng)過光混合裝置LM的混合以及衰減裝置A的衰減之后，激光脈沖進(jìn)入量子通道。光束旋轉(zhuǎn)裝置相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角是由達(dá)夫棱鏡DP1、DP2聯(lián)合構(gòu)成的，其旋轉(zhuǎn)角α=π。而這一干涉儀兩個(gè)雙臂上各有一個(gè)延時(shí)器，延時(shí)器的功能是防止竊聽信息者Eve，在此同時(shí)對(duì)兩臂上的小脈沖進(jìn)行攔截，這表示的是正交編碼方案最為核心的部分。ts表示的是Alice發(fā)出光子的瞬間時(shí)刻，tr表示的是Bob收到的光子瞬間時(shí)刻