[论文解读] Underwater Transmission of High-dimensional Twisted Photons over 55 Meters

Yu-An Chen, Wei-Guan Shen+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2019

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 28被引用 9

一句话总结

本研究首次在海水中实现了55米距离的单光子扭曲光（携带轨道角动量OAM）的实验传输，采用萨尼亚克干涉仪生成高维OAM态，并利用ICCD相机测量模态保真度。实验结果证实了拓扑荷和叠加态结构的强保真度，标志着向远距离OAM基水下量子通信迈出关键一步。

ABSTRACT

As an emerging channel resource for modern optics, big data, internet traffic and quantum technologies, twisted photons carrying orbital angular momentum (OAM) have been extended their applicable boundary in different media, such as optical fiber and atmosphere. Due to the extreme condition of loss and pressure, underwater transmission of twisted photons has not been well investigated yet. Especially, single-photon tests were all limited at a level of a few meters, and it is in practice unclear what will happen for longer transmission distances. Here we experimentally demonstrate the transmission of single-photon twisted light over an underwater channel up to 55 meters, which reach a distance allowing potential real applications. For different order OAM states and their superposition, a good preservation of modal structure and topological charge are observed. Our results for the first time reveal the real transmission performance of twisted photons in a long-distance regime, representing a step further towards OAM-based underwater quantum communication.

研究动机与目标

• 研究携带轨道角动量（OAM）的单光子扭曲光在远距离水下传输的可行性。
• 确定OAM态及其叠加态在长距离水下信道中能保持多大程度的完整性。
• 评估水体湍流与信道损耗对真实海洋环境中高维光子态保真度的影响。
• 建立一个实用的实验平台，用于在深海条件下测试OAM基量子通信。
• 为单光子在水下光信道中传播的理论模型提供实证验证。

提出的方法

• 采用内置涡旋相位板的改进型萨尼亚克环形干涉仪，在532 nm波长下生成单光子OAM态。
• 使用10 W信标激光器，精确对准跨越两个气-水界面及55米水下信道的光路。
• 通过增强型电荷耦合器件（ICCD）相机捕捉微弱单光子信号，具备高灵敏度，可在强背景噪声中实现检测。
• 通过角度识别算法，基于花瓣状强度分布的质心位置识别OAM叠加态的取向。
• 通过基于图像的相位分析，将接收态投影到对应制备态基上，计算保真度。
• 通过测量20秒内涡旋核心位置的径向位移，量化由水体湍流引起的倾斜-倾斜像差。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在高损耗与湍流，高维OAM态是否能在55米水下信道中保持完整？
• RQ2 水体引起的湍流如何影响长距离传输中光束的指向稳定性与模态保真度？
• RQ3 不同OAM阶数的叠加态在海水中在多大程度上能保持其相对相位与结构完整性？
• RQ4 在真实海洋环境中，单光子OAM传输的实际信道损耗与信噪比性能如何？
• RQ5 基于萨尼亚克的系统是否能够实现稳定、快速且经济的OAM态编码，以支持水下量子通信？

主要发现

• 实验成功实现了单光子OAM态在55米海水中的传输，为该系统报道的最远传输距离。
• 测得的衰减系数为0.16 m⁻¹，与沿海海水理论值（0.179 m⁻¹）非常接近，证实了信道建模的合理性。
• OAM态的模态结构与拓扑荷在高阶叠加态下仍保持高保真度。
• 一阶叠加态的保真度在实时测量中保持在90%以上，三阶态在27秒内波动低于1.1%。
• 涡旋核心的平均径向倾斜-倾斜位移为0.64 mm，表明水体湍流导致中等程度的光束漂移。
• 系统总损耗约为40 dB，但通过ICCD探测仍能从强背景噪声中成功提取单光子信号。