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研究人员为解决 OAM 探测器难题，开展 OAM 探测器研究，成功研制新探测器，推动相关技术发展。
研究背景：光量子技术的 “绊脚石”
在光量子技术的领域中，轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）有着独特的优势。自 1992 年 Allen 等人发现光子在拉盖尔 - 高斯（Laguerre-Gaussian，LG）模式下携带 OAM 以来，基于 OAM 的应用不断涌现。它为光量子技术提供了高维且离散的基础，在长距离通信、量子通信安全、量子计算、量子计量等诸多方面展现出巨大潜力。比如，利用 OAM 模式复用，实现了太比特级的数据传输，为未来高速通信带来了希望；在量子通信中，增强了安全性和容错能力，保障信息传输的可靠性。
然而，OAM 应用的发展却受到了严重阻碍，其中一个关键问题就是缺乏理想的 OAM 模式探测器。现有的多种检测方法都存在各自的缺陷。以基于空间光调制器（SLM）和单模光纤（SMF）的检测方法为例，SMF 对不同 OAM 模式的耦合效率不均匀，随着 OAM 模式指数l的增加，检测效率降低，无法适用于宽带检测，而且它主要检测p=0的模式，对于量子态中 OAM 分布在多个径向模式的情况无能为力，并且还需要事先知道光束的一些信息。其他方法，如基于测量角相干函数、旋转多普勒频移等的检测方法，也存在各种问题，要么只能适用于特定类型的量子态，要么实验实现困难，无法广泛应用。
因此，开发一种能够检测宽范围 OAM 模式、具有均匀检测效率、测量真实光谱且无需先验信息就能检测任意量子态的 OAM 探测器，成为了该领域亟待解决的关键问题。
研究机构与研究内容：探索新型探测器之路
为了解决上述问题，研究人员开展了关于 OAM 探测器的研究。虽然文中未提及研究机构的具体信息，但研究成果发表在了《SCIENCE ADVANCES》上。研究人员致力于设计并实验验证一种全新的 OAM 模式探测器，期望它能够克服现有探测器的种种缺陷，为 OAM 在光量子技术中的广泛应用奠定基础。
关键技术方法：创新技术助力突破
研究人员在实验中运用了多种关键技术。首先，采用两种方法制备单光子量子态，分别是利用衰减的氦氖（He-Ne）激光和 SLM，以及通过自发参量下转换（SPDC）过程。其次，搭建了基于干涉仪的检测装置，其中包含自制的图像旋转器（IR）和单光子敏感的电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机。利用干涉仪的特性，结合特定的光学元件组合，如四分之一波片（Q）、半波片（H）等，实现对 OAM 光谱的检测。同时，运用了双次测量技术和极化校正方法，有效减少噪声对检测结果的影响，提高检测的准确性。
研究结果：新型探测器性能卓越
- OAM 光谱检测理论：研究人员考虑了任意2N+1维单光子量子态在 OAM 基下的密度矩阵ρin?，通过让量子态进入带有 IR 的干涉仪，在不同角度θ下进行测量，得到总光子检测概率Ioutδ?(θ)。在此基础上，通过一系列的数学推导和处理，得到测量的 OAM 光谱Sl?，它与真实的 OAM 光谱Sl?成比例关系。利用系数R2来评估测量精度，R2越接近 100%，测量精度越高。
- 实验装置与量子态制备：研究人员使用两种方法生成多种单光子量子态。利用衰减的 He-Ne 激光和 SLM，通过特定的方法生成纯量子态、混合态以及离散模式的量子态；利用 SPDC 过程，在β- 钡硼酸盐（BBO）晶体中生成单光子对角混合态。实验装置中的 EMCCD 相机确保检测在单光子水平进行。
- 探测器性能验证：通过实验测量不同类型量子态的 OAM 光谱，研究人员验证了新型探测器的性能。对于 50 维纯态，测量精度R2达到 98.96%；对于 80 维的一般混合态，R2为 98.58%；对于离散纯态，R2为 98.27%；对于通过 SPDC 生成的单光子对角混合态，R2高达 99.85%。与传统的基于 SMF 的探测器相比，新型探测器在检测效率和测量精度上具有明显优势，且检测效率在较宽的 OAM 模式范围内保持均匀。
研究结论与讨论：开启光量子技术新篇章
研究人员成功研制出一种宽带、均匀效率的 OAM 模式探测器，该探测器能够测量真实的 OAM 模式光谱，对噪声不敏感，无需先验信息就能在高光和单光子水平下测量任意量子态的 OAM 光谱。这一成果对于基于 OAM 的光量子技术有着重要意义，它将使现有的 OAM 应用更加可行，例如在高维量子密码协议中，提高信息传输的安全性和容量；在光通信中，提升通信质量和效率；在量子计算和量子计量领域，也能为相关研究提供更可靠的检测手段，推动这些领域的进一步发展。
虽然该技术目前在检测非对角元素方面存在一定局限，且对 IR 的精度和稳定性有较高要求，但随着技术的发展，这些问题有望得到解决。新型 OAM 探测器的出现，为光量子技术的发展开辟了新的道路，具有广阔的应用前景。它不仅解决了长期以来 OAM 探测器存在的难题，还为后续相关研究提供了重要的参考和借鉴，推动光量子技术朝着更高维度、更高效、更可靠的方向迈进。
