首次验证自发参量下转换过程中的光自旋-轨道相互作用

在自发参量下转换过程中引入光学SOI效应的原理如图1所示，泵浦光的角动量态表示为，其中σ=±1代表自旋，分别对应左旋/右旋圆偏振，为光子轨道角动量数。将泵浦光沿着具有C3对称性的非线性晶体光轴入射并聚焦时，在晶体内部，光子将有可能同时经历自发参量下转换的非线性过程和SOI效应的线性过程，从而最终生成一系列具有不同自旋和轨道角动量的双光子态。

图1 自发参量下转换非线性过程中引入光学SOI效应的示意图

图2 不同厚度晶体中线性SOI效应实验结果

图3 薄LN晶体中SPDC实验装置和结果

最后，他们利用5 mm厚BBO晶体研究自发参量下转换过程中的SOI效应。泵浦光在晶体中有一部分首先发生SOI效应转化为，这一部分光子与未发生SOI的泵浦光子均会进一步各自独立进行自发参量下转换过程，并分别产生双光子角动量态和，该过程的三步化简单示意图和实验结果如图4所示，通过利用具有不同角动量的泵浦光入射，实验验证了自发参量下转换中的SOI效应的存在。

图4 厚BBO晶体中SPDC与SOI过程示意图和实验结果

该工作研究了自发参量下转换过程中光学自旋轨道相互作用效应。实验发现SPDC双光子的自旋态与泵浦光的自旋态相反，验证了SPDC过程中的自旋对称选择定则。经历自旋轨道相互作用过程的双光子在整个过程中轨道角动量不守恒，且总角动量具有晶体结构导致∓3σ的平移。

该团队展示的对称选择规则和光学自旋轨道相互作用为产生多种角动量纠缠光子态（如偏振纠缠、高维角动量纠缠、自旋-轨道超纠缠等)提供了一种新的路径。后续通过在晶体中引入人工结构或设计法布里-珀罗腔，可以进一步提高纠缠光子对的产率，从而在量子通信、量子密码学等高维量子信息处理中取得更多的实际应用。

该工作由中国科学技术大学、南方科技大学合作完成，中国科学技术大学为第一完成单位。中国科学技术大学任希锋教授和南方科技大学李贵新教授为论文通讯作者，中国科学技术大学博士后吴赟琨和南方科技大学博士后唐宇涛为论文共同第一作者。该项工作得到了科技部、基金委、中科院、安徽省以及中国科学技术大学的支持。

论文链接：