【文章介绍】空间模式复用的宣布式单光子源

          本文展示了一个基于空间模式（轨道角动量）复用的宣布式单光子源。在理论上，我们基于自发参量下转换过程，通过推导发现，双光子的概率（符合事件）可以显著的增加当我们考虑更多的非高斯成分。其增强的效果跟高阶模式的成分和系统的损耗有关。对于任意的一个态，都存在一个损耗阈值以超过单独的高斯模式的情况，我们在图1中A点标注了一个三维最大纠缠态的情况。类似于频率维度的复用（Phys. Rev. Lett. 119, 083601），我们提出了一个主动调制的理论方案，见图二。

图一：增益和损耗的关系. 这里展示了一个三维最大纠缠态对应的损耗，可以发现当系统的单路损耗超过0.58（A点）后，可以实现强于高斯模式的增强。

　　图二：理论的复用方案，自发参量产生S/i光子对，S光子的模式在i信号的触发下由|L>变为|0>。 从而抹杀掉空间的可区分性。

　　　实验上，由于目前商用的SLM速度的限制，这个方案目前很难实行。基于我们已有的空间操控技术（Communications Physics, 2019, 2(1): 75；Phys. Rev. A 98, (6), 062316.），本论文中，我们采用被动的方式进行原理性的展示。 这里采用了光栅进行模式的区分，光栅区分的优点是器件少，缺点是存在1/N的线性损耗（关于模式区分，我们做了一个表格PRA 100, 013833 (2019)。主要的实验结果展示图三中，更详细的结果展示在我们的文章中。我们可以发现复用的效果相比于传统的高斯模式有较大的相对提高。

图三：复用前后的的双光子复合计数。

表一：主流的模式区分方案。

文章被PRA接收并在线发表。   

Abstract.

A heralded single-photon source (HSPS) with competitive single photon purity and indistinguishability hasbecome an essential resource for photonic quantum information processing. Here we propose a theoreticalregime to enhance heralded single photon generation by multiplexing the degree of freedom of orbital angularmomentum (OAM) of down-converted entangled photon pairs emitted from a nonlinear crystal. Experimentally,a proof-of-principle experiment is performed through multiplexing three OAM modes. We achieve a 47%enhancement in the single-photon rate. A second-order autocorrelation function g(2)(0) < 0.5 ensures our multiplexed heralded single photons with good single-photon purity. We further indicate that an OAM-multiplexedHSPS with high quality can be constructed by generating higher-dimensional entangled states and sorting themwith high efficiency in OAM space. Our method may approach a good HSPS with the deterministic property.