“路径域”和“轨道角动量域”的统一酉变换架构

清华大学电子工程系黄翊东教授团队（微纳光电子学实验室）冯雪副教授的研究小组，提出并验证了一种用于光学线性变换的矩阵变换方案，可以同时满足通用和高维可扩展性，并且几乎内禀无损，实现了路径域和轨道角动量(OAM)域酉变换架构的统一。相关成果发表于《国家科学进展》（National Science Open, NSO），并将收录于“新型光电器件”专题，李世康博士为第一作者，冯雪副教授为通讯作者。

在线性光学系统中，研究者可以用光子编码经典信息或量子信息，并对高维光学态进行可编程的矩阵运算，从而实现新型光计算和量子计算。

光学线性变换是联系光量子操控与相干光计算的纽带。目前，光学线性变换架构主要采用Reck于1994年提出的路径域变换方案，但是该方案：

无法推广到轨道角动量(OAM)等其它光学自由度；

难以实现高维可编程光学矩阵运算。

在这项工作中，研究者利用光学编码基之间天然存在的傅里叶关系，提出并验证了一种通用的矩阵变换方案，可以同时满足通用和高维可扩展性，并且几乎内禀无损，实现了路径域和OAM域酉变换架构的统一。

由两层角域对角矩阵和一层OAM域对角矩阵组成OAM域酉变换架构示意图，该结构可实现大部分3×3维酉矩阵以及部分特殊的4×4和6×6维OAM域酉矩阵。其中Angle Modulator：角向相位调制器，OAM Spectral Shaper：OAM谱调制器，Mode-sorter：OAM模式分类器

在路径域实验中，75组随机酉矩阵保真度97±2%，能量效率96±3%，在OAM域仿真研究了3~6维的酉矩阵，实现了路径域和OAM域两个自由度下酉变换架构的统一。论文中选取Hadamard矩阵作为研究重点，OAM域Hadamard矩阵又称OAM分束器(OAM beam splitter)，是一种重要的量子操控手段，可用于观测OAM域Hong-Ou-Mandel(HOM)量子干涉现象，以及发展新的量子通信协议，例如OAM编码的测量设备无关量子密钥分发(measurement-device-independent quantum key distribution)。

OAM域2维Hadamard矩阵仿真结果图：各行依次展示了4个典型输入态在Hadamard矩阵H2作用下的光场演化，各列从左到右展示酉变换过程中光场演化，亮度和颜色分别表示光场强度与相位

由于OAM编码基具有无穷维度的特性，该论文提出的OAM域酉变换架构有望推进对OAM域高维量子纠缠资源的开发和利用。

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！