[论文解读] 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 1

一句话总结

本文展示了一种双向量子接口，利用q-plate实现了单光子的自旋（偏振）与轨道角动量（OAM）自由度之间的量子信息转移。通过利用q-plate中的自旋-轨道耦合，作者实验验证了单光子量子态的相干转移，并通过量子层析成像成功将两光子量子关联（如湮没干涉产生的关联）映射至OAM域。

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.

研究动机与目标

• 建立光子自旋与轨道角动量（OAM）自由度之间的双向量子接口。
• 通过q-plate实验验证单光子量子态从偏振到OAM的相干转移。
• 展示两光子量子关联（如湮没干涉产生的关联）成功映射至OAM自由度。
• 通过单光子量子层析成像验证该过程，并观测态转移的保真度。

提出的方法

• 利用q-plate（一种图案化非均匀双折射板）诱导光学自旋-轨道耦合。
• 设计q-plate以实现单个光子的偏振（自旋）与轨道角动量（OAM）之间的纠缠。
• 通过单光子量子态层析成像重建并验证转移后的量子态。
• 应用相同的q-板机制，将两光子量子关联（如Hong-Ou-Mandel干涉产生的关联）转移至OAM基。
• 测量所得的量子干涉图案，以确认OAM域中相干性与保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个光子的自旋（偏振）自由度中的量子信息能否相干地转移到轨道角动量（OAM）自由度？
• RQ2 反向过程——将OAM信息重新转移回自旋——是否同样可行且保持相干性？
• RQ3 由湮没干涉产生的两光子量子关联能否成功映射至OAM自由度？
• RQ4 通过量子层析成像测量，转移后量子态的保真度与相干性如何？

主要发现

• q-plate成功实现了自旋与OAM自由度之间单光子量子态的相干转移，经量子层析成像验证。
• 该接口的双向特性经实验验证，表明偏振与OAM之间可实现可逆的态转移。
• 两光子量子关联（包括由湮没干涉产生的关联）成功映射至OAM域。
• 在OAM基中观测到的干涉图案证实了转移过程中量子相干性的保持。