量子态调制是一项很有前景的基础物理研究技术，它与量子中继开关、量子态的存储和处理密切相关。由于光学轨道角动量（OAM）单光子带有独特的相位强度曲线和多种工作模式，可应用于各种量子通信任务，如量子密钥分配、量子远程传输、纠缠互换等。建立在不同的量子系统之间建立连接以传输信息需要一些基本的组件，如量子存储器、中继节点、量子处理器等。为了连接这些系统，有必要建立一个波长连接，如频率转换器，它可以有效地实现光子状态的操纵和波长转换。这种频率转换器可以使用非线性晶体来实现二阶非线性过程。此外，在频率转换和电光（EO）偏振耦合的级联过程在OAM叠加态的控制和非线性光学相互作用方面有广泛的应用。

在这里，我们利用了在周期性的铌酸锂晶体（PPLN）中级联和频非线性过程和EO偏振耦合实现量子叠加态的转换，通过输入正交偏振成分的不同OAM单光子，我们设法调整产生的光子的空间模式的权重，通过施加一个外部电场，级联和频及EO偏振耦合过程可以有效和方便地实现不同OAM模式的量子态的叠加，本质上还反映在OAM单光子在PPLN中和频效率的变化，我们这一方案的光路图如图一所示。

我们研究结果表明单个光子的OAM状态可以通过在非线性晶体上施加横向电场按需调制，频率转换前后的量子态保真度均高于97%，实验结果如图二所示，证明了频率转换和电控调制实现OAM叠加态的实验的可行性，也证明了我们所提出的转换接口的集成性和高性能。同时，我们的方案有希望用于实现更多的量子信息任务，如超密集编码和多节点集成的空间到光纤通信的大规模网络。

图一 实验装置。

图二 (a)为测量的OAM状态的密度矩阵。(b)和频光子数量的变化趋势是通过改变外加电压来测量的。(c)在Poincaré球体上表示的OAM叠加状态的输出随着施加的电压从0到100V的变化。

该成果发表在“Zhantong Qi, Yiwen Huang, Chuanyi Lu, Fengchao Ni, Yuanhua Li, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen Orbital-angular-momentum quantum state interface via a nonlinear process, Physical Review Applied, 19, 014045 (2023)”。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.014045