[論文レビュー] Quantum interference by coherence transfer from spin to orbital angular momentum of photons

Eleonora Nagali, Fabio Sciarrino+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2008

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、q-プレートを用いて、1光子のスピン（偏光）と軌道角運動量（OAM）の自由度の間で量子情報を双方向に転送する量子インターフェースを実証している。q-プレートにおけるスピン-軌道結合を活用することで、著者らは単一光子の量子状態の coherent な転送を実験的に検証し、コalescence 干渉に起因する二光子の量子相関が、量子トモグラフィーを用いて OAM 領域に成功裏に転送されることを示している。

ABSTRACT

The optical spin-orbit coupling occurring in a suitably patterned nonuniform birefringent plate known as `q-plate' allows entangling the polarization of a single photon with its orbital angular momentum (OAM). This process, in turn, can be exploited for building a bidirectional spin-OAM interface, capable of transposing the quantum information from the spin to the OAM degree of freedom of photons and extit{vice versa}. Here, we experimentally demonstrate this process by single-photon quantum tomographic analysis. Moreover, we show that two-photon quantum correlations such as those resulting from coalescence interference can be successfully transferred into the OAM degree of freedom.

研究の動機と目的

• 光子のスピンと軌道角運動量（OAM）の自由度の間で双方向量子インターフェースを確立すること。
• q-プレートを用いて、偏光からOAMへの単一光子の量子状態のcoherentな転送を実験的に検証すること。
• コalescence 干渉に起因するような二光子の量子相関が、OAM 自由度に成功裏に転送されることを示すこと。
• 単一光子の量子トモグラフィーを用いてプロセスを検証し、状態転送の忠実度を観測すること。

提案手法

• スピン-軌道結合を誘発するためのパターン加工された非一様な二軸性屈折性板（q-プレート）の利用。
• q-プレートを設計して、単一光子の偏光（スピン）とその軌道角運動量（OAM）をもつ状態をエンタングル化すること。
• 転送された量子状態を再構築・検証するために、単一光子の量子状態トモグラフィーを実施すること。
• 同じq-プレートのメカニズムを用いて、Hong-Ou-Mandel 干渉に起因するような二光子の量子相関をOAM基底に転送すること。
• 得られた量子干渉パターンを測定し、OAM領域におけるcoherenceと忠実度を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一光子のスピン（偏光）自由度から、軌道角運動量（OAM）自由度への量子情報のcoherentな転送は可能か？
• RQ2 OAM情報からスピンへの逆方向の転送も、同様に可能でcoherentであるか？
• RQ3 コalescence 干渉に起因する二光子の量子相関が、OAM 自由度に成功裏にマッピング可能か？
• RQ4 量子トモグラフィーで測定された状態転送の忠実度とcoherenceはどの程度か？

主な発見

• q-プレートは、量子トモグラフィーにより確認されたように、スピンとOAM自由度の間で単一光子の量子状態をcoherentに転送可能であることが実証された。
• インターフェースの双方向性が実験的に検証され、偏光とOAMの間での可逆的状態転送が確認された。
• コalescence 干渉に起因する二光子の量子相関が、OAM領域に成功裏に転送された。
• OAM基底における観測された干渉パターンは、転送過程での量子coherenceの保存を確認した。