高維多設(shè)置系統(tǒng)的Cabello非局域性原理及其實(shí)驗(yàn)測試

液晶空間光調(diào)制器主要由液晶光閥、驅(qū)動板、控制軟件組成。其工作原理主要利用液晶的光電效應(yīng)，在驅(qū)動信號的控制下，改變加載到盒內(nèi)液晶分子上的電壓，液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，雙折射率改變，從而改變讀出光在空間分布的振幅、相位或偏振態(tài)。液晶空間光調(diào)制器可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)制模式，這種可編程性使得其可以在不同的應(yīng)用場景中靈活使用，適應(yīng)不同的光學(xué)需求。由于液晶空間光調(diào)制器的靈活性、高維調(diào)控能力和高精度測量等優(yōu)勢，能夠有效提升實(shí)驗(yàn)的可操作性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為研究量子非局域性提供了強(qiáng)有力的工具支持。

論文信息

最近的研究進(jìn)展已經(jīng)將Hardy非局域性原理擴(kuò)展到了多設(shè)置和多維系統(tǒng)，以增強(qiáng)量子相關(guān)性。與Hardy非局域性原理相比，Cabello非局域性原理（CNA）能夠更好地闡明量子的非局域性特征。然而，關(guān)于CNA是否可能擴(kuò)展到任意（k，d）場景仍然是一個(gè)懸而未決的問題。文章從理論和實(shí)驗(yàn)上回答了這一問題。理論上，利用兼容性圖，為高維多設(shè)置CNA構(gòu)建了一個(gè)新的邏輯框架，證明了非局域事件的概率將隨著設(shè)置數(shù)k和維度d的增加而增加。實(shí)驗(yàn)上，利用空間光調(diào)制器（SLM）的可重構(gòu)特性來實(shí)現(xiàn)糾纏濃縮和測量。具體地，通過調(diào)整加載在SLM上的閃耀相位光柵的衍射效率，減小初始態(tài)中概率幅度過高的OAM模式權(quán)重，使得制備態(tài)與與最優(yōu)量子態(tài)保存一致，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)糾纏濃縮和OAM疊加態(tài)的測量。通過這種測量方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在（2,4）場景中得到了非局域性事件的概率為20.29%，在（6,2）場景中為28.72%，證明了高維多設(shè)置Cabello定理。本文的工作展示了量子力學(xué)和經(jīng)典理論之間更尖銳的矛盾，超過了原始Cabello定理對非局域性概率的限制。

部分實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用一個(gè)355nm紫外鎖模激光器作為一個(gè)3毫米厚的β-硼酸鋇（BBO）晶體的泵浦源，經(jīng)過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生710nm光子對。晶體后面放置了一個(gè)長通濾波器（IF）以阻擋泵浦光束，然后使用一個(gè)非偏振分束器（BS）來分離信號光子和閑頻光子。在每個(gè)下轉(zhuǎn)換臂中，一個(gè)由雙透鏡（L1、f1 = 200 mm和L2、f2 = 400 mm）組成的4f系統(tǒng)將BBO的輸出面成像到兩個(gè)SLM（SLM A和SLM B，F(xiàn)SLM-2K70-VIS）上。兩個(gè)SLM上分別加載設(shè)計(jì)的全息圖，用于制備所需的OAM測量態(tài)和用于實(shí)現(xiàn)糾纏濃縮過程。隨后，使用另一個(gè)4f系統(tǒng)（L3，f3 = 500 mm和L4，f4 = 4 mm）將SLM面重新成像到與單光子計(jì)數(shù)模塊連接的單模光纖（SMF）的輸入面。此外，在SMF前面放置了兩個(gè)帶寬為10 nm、中心波長為710 nm的帶通濾波器（BF），以減少對噪聲光子的檢測。這兩個(gè)單光子計(jì)數(shù)器的輸出被連接到一個(gè)具有25ns重合時(shí)間窗的重合計(jì)數(shù)電路上。

本實(shí)驗(yàn)中所采用空間光調(diào)制器的參數(shù)規(guī)格如下：

寫在最后

液晶空間光調(diào)制器在量子領(lǐng)域的應(yīng)用方向也非常廣泛。例如，在量子通信領(lǐng)域，利用SLM可以產(chǎn)生和調(diào)制偏振態(tài)或相位，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的編碼和解碼，有望提高量子通信的安全性和效率。在量子干涉、量子隨機(jī)行走等量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，利用SLM可以創(chuàng)造復(fù)雜的光場并進(jìn)行精確控制，從而驗(yàn)證一些量子力學(xué)的基本原理。還有量子測量與成像、量子傳感、多集高維量子系統(tǒng)的研究等量子領(lǐng)域，SLM可以發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。當(dāng)然這對SLM的精確度和穩(wěn)定度等參數(shù)也提出了更高的要求，我司將繼續(xù)鉆研，不斷創(chuàng)新，不斷突破，以響應(yīng)更多更廣更高的需求。

審核編輯 黃宇