17、单光子量子通信：原理、挑战与应用

单光子量子通信：原理、挑战与应用

1. 单光子作为信息载体

1.1 光子轨道角动量与量子编码

光子的自旋自由度（偏振）最多为 ±1，而单个光子的轨道角动量原则上可以有任意大的整数值。利用模式转换器实现量子比特旋转的技术可以扩展到高阶模式函数，分数傅里叶变换（frft）也可用于在空间上分离高阶模式函数。这意味着横向模式函数可用于编码 qudits，即具有 d 个基态的量子系统。Langford 等人在 2004 年通过实验证明了二阶横向模式的这种编码方式。

1.2 时间 - 比特编码

时间 - 比特量子比特是一种单光子量子比特，其中光子可以占据两个连续的时间间隔。计算基态分别为：
- 对于“早期”时间间隔：(|0\rangle\equiv|e\rangle = \hat{b}^{\dagger} {\mu = e}|0\rangle)
- 对于“晚期”时间间隔：(|1\rangle\equiv|\ell\rangle = \hat{b}^{\dagger} {\mu = \ell}|0\rangle)

虽然没有无源线性光学干涉仪能将时间 - 比特量子比特转换为偏振量子比特，但可以构建一个线性 Bogoliubov 变换，将时间 - 比特量子比特与偏振量子比特进行酉变换。这需要快速光开关。

时间 - 比特到偏振的转换过程如下：
1. 假设输入光子为垂直偏振态 (|V\rangle)，当它处于早期时间间隔时，光开关不工作，光子在偏振分束器中被反射，通过干涉仪的长路径。
2. 当光子处于晚期时间间隔时，光开关开启 90° 偏振旋转，光子透过偏振分束器，通过最短