Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum

物理 光子 自发参量下转换 角动量 叠加原理 量子位元 量子信息 光子学 光的轨道角动量 量子信息科学 量子信道 光子纠缠 量子 量子力学 光学 总角动量 量子纠缠
作者
Bo Chen,Yuming Wei,Tianming Zhao,Shunfa Liu,Rongbin Su,Beimeng Yao,Ying Yu,Jin Liu,Xuehua Wang
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:16 (3): 302-307 被引量:119
标识
DOI:10.1038/s41565-020-00827-7
摘要

Photons that have a helical phase front, that is, twisted photons, can carry a discrete, in principle, unlimited, but quantized amount of orbital angular momentum (OAM). Hence, twisted single photons constitute a high-dimensional quantum system with information-processing abilities beyond those of two-level single-photon qubits. To date, the generation of single photons carrying OAM has relied on a non-linear process in bulk crystals, for example, spontaneous parametric down-conversion, which limits both the efficiency and the scalability of the source. Here, we present a bright solid-state source of single photons in an OAM superposition state with a single-photon purity of g(2)(0) = 0.115(1) and a collection efficiency of 23(4)%. The mode purity of the single-photon OAM states is further examined via projection measurements. Future developments of integrated quantum photonic devices with pure OAM states as an additional degree of freedom may enable high-dimensional quantum information processing. Single photons with high orbital angular momenta can act as higher order flying qubits, but efficient generation is scarce. The integration of a single quantum dot emitter into an on-chip mircoring resonator enables the generation of single photons in an orbital angular momentum superposition state.
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