Hybrid quantum system with strong magnetic coupling of a magnetic vortex to a nanomechanical resonator
我们提出了一个由磁涡旋和纳米机械共振器组成的混合量子系统。我们证明了涡旋的旋向模可以通过磁相互作用相干耦合到谐振腔的量子化机械运动。利用纳米机械谐振器的拓扑保护特性和低阻尼特性,通过选择合适的参数,该系统可以实现强耦合甚至超强耦合。结合其他量子系统,例如氮空位(NV)中心,可以实现涡旋激发和自旋之间的相干态转移。该装置为量子信息处理和研究超强耦合机制以及宏观量子物理提供了一个潜在的平台。
2023-01-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum steering with vector vortex photon states with the detection loophole closed
违反非定域性不等式使得最强大的远程量子信息任务和量子物理学的基本测试成为可能。非定域性的无环光子验证已经通过偏振纠缠光子对实现,但不能通过在其他自由度上纠缠的状态实现。在这里,我们证明了量子转向非定域性任务的完成,与检测漏洞关闭,纠缠是通过传输光子在光矢量涡旋状态,形成光学轨道角动量(OAM)和偏振分布。除了开辟一种超越偏振的高效编码之外,矢量涡旋转向的关键重要演示还为新的自由空间和基于卫星的安全量子通信设备和设备无关协议打开了大门。
2022-03-11 physics.optics quant-ph
Vector Vortex Beam Emitter Embedded in a Photonic Chip
矢量涡旋光束同时携带光的自旋和轨道角动量,为现代光学提供了额外的自由度,并为经典和量子信息技术提供了新的资源。固有的无限维度可以被利用来增强数据容量,以维持大数据和互联网流量的前所未有的增长,并且可以被编码以在高维希尔伯特空间中构建量子计算机器。目前,矢量涡旋光束从芯片表面发射到自由空间的研究已经取得了很大的进展,但在光子晶体芯片内部产生矢量涡旋光束的研究还没有实现。在这里,我们展示了第一个矢量涡旋光束发射器嵌入在光子芯片使用飞秒激光直写。我们实现了矢量涡旋光束与高斯光束的转换,转换效率高达30%,标量涡旋光束的转换效率高达74%。我们还提出了一个扩展的耦合模模型来理解模式转换和制造过程中的缺陷的影响。嵌入式产生的方式使得矢量涡旋光束可以直接用于进一步的传输、操纵和发射,而无需任何额外的互连。再加上作为阵列集成的能力,我们的研究结果可能使矢量涡旋光束能够在光子芯片内进行高容量通信和高维量子信息处理。
2020-01-27 physics.optics quant-ph
Generating Vector-Vortex $γ$ Photons by Nonlinear Compton Scattering
Xi’an Jiaotong University(西安交通大学)
提出利用椭圆偏振激光脉冲中的非线性康普顿散射产生MeV矢量涡旋γ光子,通过调控激光椭圆率实现自旋-OAM不可分离态,为核尺度结构光子学与高能量子信息开辟新途径。
2026-09-29 hep-ph physics.optics quant-ph
Experimental Evidence of Vortex $γ$ Photons in All-Optical Inverse Compton Scattering
本研究通过全光逆康普顿散射成功产生亚MeV级涡旋γ光子,提出利用量子张角确定其轨道角动量特性的新方法,实验观测到角展宽现象,为涡旋γ光子探测提供首个实验证据。
2025-03-24 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
A Photonic Topological Mode Bound to a Vortex
拓扑光子学揭示了在凝聚态物理中看到的一些令人惊讶的现象,这些现象是随着拓扑不变量的出现而出现的。光波导提供了一个良好的控制平台,以调查与物质的不同拓扑相有关的效应,通过直接模拟系统拓扑结构保护的状态,提供对拓扑绝缘体和超导体等现象的洞察。在这里,我们观察到一个模式与拓扑缺陷在大量的二维光子材料通过引入涡旋扭曲的六边形晶格和类似的石墨烯。这些观测是由于我们实验方法的进步而成为可能的。我们能够制造均匀的大型二维光子晶体结构,包含数千个二维排列的相同波导,我们开发了一种新的方法来激发这些波导的多个明确的光场。这使我们能够探测的拓扑缺陷模式的详细空间特征的第一次。所观察到的模式位于间隙中的零能量,并密切相关的超导涡旋的马约拉纳束缚态。这是第一个实验演示的模式,是一个解决方案的狄拉克方程中存在的涡流,提出了Jackiw和罗西。
2019-09-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Photon emission by vortex particles accelerated in a linac
School of Physics and Engineering, ITMO University(ITMO大学物理与工程学院);Petersburg Nuclear Physics Institute named by B.P. Konstantinov of National Research Centre “Kurchatov Institute”(国家研究中心“库尔恰托夫研究所”B.P.康斯坦丁诺夫圣彼得堡核物理研究所);Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University(彼得大帝圣彼得堡理工大学)
研究了在标量QED中,带电无自旋粒子在纵向电场和磁场中因相涡旋和轨道角动量投影产生的光子发射,发现涡旋态的有效寿命远大于加速时间,证明涡旋电子、离子、μ子等在传统直线加速器及高梯度 wake-field 加速器中可被加速至相对论能级,且光子发射导致的轨道角动量损失可忽略。
2026-03-19 hep-ph physics.acc-ph quant-ph
Observation of a Non-local Optical Vortex
我们报道了在自发参量下转换产生的光子的相关性中观察到的光涡旋。奇异性出现在由每个光子的一个自由度组成的非局部坐标平面中。
2009-07-24 quant-ph
Manipulation of Superposed Vortex States of $γ$ Photon via Nonlinear Compton Scattering
Xi’an Jiaotong University(西安交通大学)
本文提出通过多频率圆极化激光场驱动非线性康普顿散射生成可控涡旋γ光子叠加态,利用量子电动力学框架揭示机制并计算辐射概率,实现轨道角动量分离和模权重的调控。
2026-04-15 hep-ph physics.optics quant-ph
Single-photon circularly polarized single-mode vortex beams
本文通过设计基底上的各向异性纳米二聚体实现量子发射体与表面等离激元的非辐射耦合,在室温下芯片上产生具有高纯度、圆偏振和不同拓扑荷的单模涡旋单光子束,为高维量子光源提供新途径。
2023-05-14 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Engineering continuous and discrete variable quantum vortex states by nonlocal photon subtraction in a reconfigurable photonic chip
研究了光波导中双模和N模纠缠量子态的产生。为此,我们提出了一个量子光子电路,产生一个可重构的叠加光子减法两个单模压缩态。在后选择条件下,得到了可能用于量子信息处理的连续变量或离散变量纠缠态。同样,嵌套导致更高维度的纠缠与类似的设计,使非高斯连续变量集群状态的产生。此外,我们通过光的量子涡旋态的产生显示了设备的操作,并提出了一个集成的设备,测量它们的顺序和手性。最后,我们利用光场分布、维格纳函数和对数负性研究了该方案产生的量子态的非高斯性、非经典性和纠缠性。
2020-05-04 physics.optics quant-ph
Storing vector-vortex states of light in intra-atomic frequency comb
光子是长距离量子通信和量子信息处理的重要候选材料之一。某些量子信息处理任务需要保存光子内部状态的单个光子的存储和忠实检索。本文提出了一种在原子内频率梳量子存储器中存储光的矢量涡旋态的方法。我们表明,原子系综与两个原子内的频率梳对应的$Δm = \pm1$跃迁的相似的频率是足够的一个强大的和有效的量子存储器的矢量涡旋态的光。作为一个例子,我们表明,Cs和Rb原子是很好的候选人存储这些内部模式的光。
2021-07-30 quant-ph
Photon vortex generation in quantum level by high-order harmonic synchrotron radiations from spiral moving electrons in magnetic fields
利用朗道量子化方法研究了在z轴均匀磁场作用下螺旋运动电子在同步辐射中产生的光子涡旋。所得到的光子涡旋的波函数是总角动量z分量的本征态。在m次谐波辐射中,单个光子是m的zTAM的本征态。这与以前的研究是一致的。利用目前得到的波函数,我们计算了在10 ^12 - 10 ^13 G的极强磁场下的衰变宽度和能谱,这些磁场是在天体物理物体中观测到的,如磁化中子星和喷流以及黑洞周围的吸积盘。结果表明,光子涡旋主要产生在这样的对象。虽然它们没有相干性,但预计将来可以使用基于量子效应的探测器来测量来自宇宙的光子涡旋。这种效应对强磁场中的恒星核合成也有影响。
2021-12-11 astro-ph.HE nucl-th physics.optics
Optical vortex knots - one photon at a time
费曼将双缝实验描述为“一种不可能,绝对不可能用任何经典方式解释的现象,它是量子力学的核心“。双缝实验,一次一个光子,通过产生对应于来自两个狭缝的光的干涉(波现象)的条纹图案,戏剧性地展示了量子物体的粒子-波二象性,即使在一次只有一个光子(粒子)通过设备的时候。光的粒子波二象性也适用于多路干涉形成的复杂三维光场,然而,这一点尚未得到证明。在这里,我们观察粒子波的三维场的二重性,通过产生一个三叶形的光学涡旋结-一个光子的时间。这一结果证明了一个基本的物理原理,即粒子-波对偶性意味着空间(空间上不同的模式之间)和时间(通过模式叠加的复杂演化)的干涉,并对拓扑纠缠单光子态,轨道角动量复用和拓扑量子计算产生影响。
2017-01-06 physics.optics quant-ph
Generation of High-Order Vortex States from Two-Mode Squeezed States
我们报道了一个利用双模光子数压缩态产生高阶涡旋态的方案,该态是通过非线性自发参量下转换过程产生的。通过在正交空间$(X,Y)$中应用参数旋转,使用$ϕ$转换器,对于包含$N$光子的输入状态,光子数压缩输入状态的高斯正交分布可以被映射成具有$N$涡旋或奇点的拉盖尔-高斯模式的叠加,从而将光子数波动映射到正交空间中的干涉效应。我们的计划有可能提高测量灵敏度超过标准量子极限(SQL $\propto \sqrt{N}$),通过利用光学涡旋的优点,如易于创建和检测,高维或拓扑属性,应用程序需要减少不确定性,如量子密码学,量子精密测量和传感。
2021-04-05 quant-ph
Vortex lattice solutions to the Gross-Pitaevskii equation with spin-orbit coupling in optical lattices
利用原子与光的相互作用可以在冷原子系统中产生有效的自旋轨道耦合。我们利用考虑自旋轨道耦合的Gross-Pitaevskii方程研究了光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚。Bloch状态的线性方程的数值计算得到,并与固定的解决方案的Gross-Pitaevskii方程的非线性项。当自旋-轨道耦合较强时,发现了各种涡旋晶格态。
2013-01-16 cond-mat.quant-gas nlin.PS quant-ph
All-vortex nonlinear Compton scattering in a polarized laser field
本文从理论上研究了强极化激光场中初末态电子和发射光子均处于涡旋态的全涡旋非线性 Compton 散射,建立了角动量交换理论体系,并通过数值计算揭示了激光参数对角动量交换的影响及光子谱多峰结构区分粒子轨道与自旋角动量的可能途径。
2025-04-06 hep-ph quant-ph
Optical vortex harmonic generation facilitated by photonic spin-orbit entanglement
本文首次实验证明光子自旋-轨道纠缠可促进非线性频率转换中的自旋到轨道转移,仅用单个高斯泵浦光束在光学纳米光纤中于三次谐波处产生光学涡旋,突破了各向同性介质中的禁戒限制,为高效涡旋产生及混合量子系统实现开辟了新途径。
2023-08-05 physics.optics quant-ph
Hybrid Entangled Entanglement in Vector Vortex Beams
具有在横向轮廓上变化的矢量场结构(或偏振)和中心光学奇点的光束被称为矢量涡旋(VV)光束,并且可以表现出特定的性质,例如聚焦成“光针”或旋转不变性,其应用范围从显微镜和光捕获到通信和计量学。这种光束中的单个光子在不同的自由度之间表现出单粒子量子纠缠的形式。另一方面,两个光子的量子态也可以相互纠缠。在这里,我们结合这两个概念,并证明了量子纠缠的产生之间的两个光子都在VV状态-一种新形式的量子“纠缠纠缠”。这一结果可能会导致量子增强VV光束的应用,以及量子信息协议充分利用光的矢量特征。
2015-07-31 quant-ph
Macroscopic Singlet, Triplet, and Colour-Charged States of Coherent Photons
本研究实验展示了利用常见光学元件构建相干光子量子态的旋转生成元,实现了SU(3)、SU(4)及单态、三重态等宏观量子态,并验证了投影行为。
2023-03-30 physics.optics quant-ph
Wigner Distribution of Elliptical Quantum Optical Vortex
计算了双模压缩相干态耦合产生的椭圆光束中量子椭圆涡旋的Wigner准概率分布函数。通过使用分束器(BS)或双通道定向耦合器(DCDC)来执行两个模式之间的耦合。由于两个模之间的耦合而产生的量子干涉为量子计算和量子层析成像提供了控制纠缠的可能。
2010-10-05 physics.optics quant-ph
Excitation of an Atomic Transition with a Vortex Laser Beam
光子携带一个单位的角动量,与它们的自旋~ \cite{Beth1936}有关。结构化涡旋光束携带额外的轨道角动量,这些角动量也可以转移到物质~ \cite{Allen1992}上。这种额外的扭曲已经被用来驱动光学镊子中微观粒子的运动,以及在简并量子气体\cite{He1995,Andersen2006}中产生涡旋。在这里,我们证明了转移的光学轨道角动量的横向空间结构的光束的内部(电子)的原子的自由度。探测四极跃迁的一个单一的捕获$^{40}$钙$^+$离子定位在中心的漩涡,我们观察到强烈修改的选择规则,占光子自旋和涡度的字段。特别是,我们表明,原子可以吸收两个量子的角动量从一个单一的光子,即使旋转对称性是保守的。与以前的发现相比~ \cite{Araoka2005,Loeffler2011a,Mathevet2013},我们的实验允许激光束的涡度决定光激发的条件,有助于长期以来关于光子的轨道角动量是否可以转移到原子内部自由度的讨论~ \cite{VanEnk1994,Babiker2002,Jauregui2004, Schmiegelow2012, Mondal2014, Scholz-Marggraf2014},并为其用于定制光-物质相互作用铺平了道路。
2015-11-23 quant-ph
Meissner-Like Currents of Photons in Anomalous Superradiant Phases
研究量子 Rabi 锯齿链在交错合成磁场下的超辐射相,揭示类迈斯纳手性边缘电流、涡旋转变及铁磁相中电流消失机制。
2025-09-21 quant-ph
Generating Giant Vortex in a Fermi Superfluid via Spin-Orbital-Angular-Momentum Coupling
在最近的玻色-爱因斯坦凝聚体实验中已经实现了自旋-轨道-角动量(SOAM)耦合[Chen等人,物理修订信函121,113204(2018)和Zhang等人,物理修订版信函122,110402(2019)],其中印在玻色子上的轨道角动量导致量子化涡旋。对于费米子来说,这种奇异的合成规范场可以为迷人的配对方案和丰富的超流体相提供肥沃的土壤,这些都有待探索。在这里,我们展示了SOAM耦合如何通过一种独特的机制,可以被视为角度模拟费米表面变形下的自旋-轨道耦合诱导的富尔德-费雷尔态的费米超流体中的涡旋稳定。值得注意的是,涡旋的大小与产生SOAM耦合的拉曼激光器的束腰相当,这通常比以前在费米超流体中观察到的涡旋大得多。这些巨涡旋态具有可调的尺寸和核心结构,为费米超流体中的拓扑缺陷提供了前所未有的实验途径。
2021-01-04 cond-mat.quant-gas nucl-th quant-ph
Propagation of Vortex Electron Wave Functions in a Magnetic Field
携带轴向轨道角动量(OAM)的光子的相干光束的物理学被很好地理解,并且这种光束,有时被称为涡旋光束,已经在光学和显微镜中找到了应用。最近已经产生了携带非常大的轴向OAM值的电子束。在没有耦合到外部电磁场的情况下,这种涡旋电子束的传播在数学上实际上与涡旋光子束在具有均匀折射率的介质中的传播相同。但当耦合到外部电磁场时,涡旋电子束的传输与光子的传输有明显的不同。本文利用薛定谔方程的精确路径积分解,研究了轴向OAM电子波函数随时间的演化。有趣的是,我们发现,非零OAM波函数可以得到从零OAM波函数,在这里考虑的情况下,简单地通过乘以一个适当的时间和位置相关的前置因子。因此,在这种情况下,添加OAM和传播可以由首先传播然后添加OAM来代替。此外,所示的结果提供了一个明确的事实,即OAM的旋磁比是统一的说明。我们还提出了一个新的版本的玻姆-阿哈罗诺夫效应使用涡旋电子束。
2012-02-24 math-ph math.MP physics.ins-det
Generation of $γ$-photons and pairs with transverse orbital angular momentum via spatiotemporal optical vortex pulse
通过强 STOV 脉冲与高能电子束正面碰撞产生具有 TOAM 的准直 $γ$ 光子与粒子对,揭示了 TOAM 在质心系和实验室系中的守恒与二象性规律,并探讨了其在光通信、天体物理和纳米材料等领域的应用潜力。
2024-03-25 hep-ph physics.optics quant-ph
Topological spinor vortex matter on spherical surface induced by non-Abelian spin-orbital-angular-momentum coupling
我们提供了一个明确的方法来实现非阿贝尔自旋轨道角动量(SOAM)耦合的旋量玻色-爱因斯坦凝聚体使用磁梯度耦合。对于高阶厄米-高斯光束可寻址的球面阱,我们证明了该系统支持携带不同总角动量$\mathbf{J}$的各种简并基态,并且简并度可以通过改变SOAM耦合的强度来调节.对于弱相互作用的旋量凝聚体与$f=1$,系统支持各种亚铁磁相和亚极性态描述的量子化的总平均角动量$|\langle \mathbf{J} \rangle|$。讨论了具有$Z_2$对称性的极性态和自旋涡旋缺陷形成的汤姆逊晶格。该系统可用于制备各种具有非平凡拓扑结构的稳定自旋涡旋态,并可作为研究基态简并度可调的中性原子强关联物理的平台。
2019-07-04 cond-mat.quant-gas quant-ph
Elastic Scattering of Twisted Photons with Atomic Hydrogen
利用与微分反应截面直接相关的涡旋原子形状因子,分析了扭曲涡旋光子与类氢原子靶的弹性散射。涡原子形状因子表示在一个统一的球形基础上,并在MatLab代码中实现,数值计算使用全局自适应正交。该代码的结果显示了光子波长,瑞利范围和散射角的变化对微分反应截面和扭转因子的影响,扭转因子用于测量引入轨道角动量的影响。最近提出的双镜效应,占一个非零效应的扭曲光子相互作用的正向数值证实。最后,它表明,微分反应截面大大放大时,瑞利范围和光子波长接近原子的尺度。简要讨论了实验考虑和应用,包括量子信息,其中扭曲光子在原子靶上的散射可用于光与物质之间的信息传递。
2019-09-17 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Size invariant twisted optical modes for efficient generation of higher dimensional quantum states
光学涡旋光束被描述为螺旋波阵面,其相位奇异性携带与其空间分布相关的轨道角动量(OAM)。传统光学涡旋的横向强度分布对所携带的拓扑荷有很强的依赖性。然而,理想涡旋光束的横向光强分布与其电荷无关。这种“尺寸不变”的双光束在光学操纵、成像和通信方面有着令人兴奋的应用。在这篇文章中,我们研究了利用双光子模有效地产生光的高维量子态。我们利用自发参量下转换(SPDC)产生了带有OAM的预告单光子。结果表明,用双光子泵浦产生的单光子探测器的探测效率比用普通涡旋光束产生的探测效率高。双光子OAM状态的维度随着泵浦和投影测量中的模式而增加,使用贝塞尔-高斯涡旋模式而不是拉盖尔-高斯模式,给出了模式。
2021-07-05 quant-ph
Quantized Rotation of Atoms From Photons with Orbital Angular Momentum
利用拉盖尔-高斯光束的双光子受激喇曼过程,在钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚体中产生原子涡旋态,证明了光子的轨道角动量到原子的相干转移.我们表明,该过程是相干的,通过创建不同的涡旋态的叠加,其中状态之间的相对相位是由光场的相对相位确定的。此外,我们通过向每个原子转移两个光子的轨道角动量来创建电荷2的涡旋。
2006-10-20 quant-ph
Unambiguous detection of high energy vortex states via the superkick effect
针对高能粒子涡旋态难以用低能技术验证的挑战,提出基于superkick效应的新诊断方法以无歧义探测相位涡旋,并可用现有技术开展涡旋电子原理验证实验。
2024-12-25 hep-ph quant-ph
Quantum vortices of strongly interacting photons
本文在量子非线性光学介质中实现了由强光子-光子相互作用产生的量子涡旋,通过双光子和三光子束缚态形成涡旋结构,并产生每光子π的条件相移,为确定性量子逻辑运算提供了潜在资源。
2023-02-24 physics.optics quant-ph