量子光学与量子信息实验室以光学体系和冷原子体系为平台，开展基于量子光学和量子信息相关问题的基础研究。主要研究内容有：（1）基于光子轨道角动量的高维量子体系基础研究；（2）高维量子计算和量子通信研究；（3）量子关联和量子成像；（4）冷原子物理和量子存储；（5）经典光学新现象的实验研究。2010年至2014年，实验室已承担五项国家自然科学基金和多项省部级项目、参与两项“973”项目，已经在Physical Review Letters、Scientific Reports、Physical Review A、Optic Express、Optic Letters 等国际一流刊物发表论文30余篇。

（1）  基于光子轨道角动量的高维量子体系基础研究

 

由于光子OAM可以构成无限维Hilbert空间，因此在高维量子理论和实验研究中具有重要的应用。我们利用计算全息光栅和空间光调制器可以实现对光子OAM的控制，实现OAM纠缠态，并进行高维量子计算和量子通信的实验研究。

 

 

（2）  高维量子计算和量子通信研究

 量子计算包含量子算法和量子计算机的物理实现。我们以光学体系作为实现量子计算机的载体，特别是基于光子轨道角动量的高维两字体系，实现稳定、可集成的光学量子计算机，并在量子计算机上实现量子算法。已经实现了Quantum walk 和Deutsch 算法。

 

 

（3）  量子关联和量子成像

 

量子关联是重要的量子资源，利用量子关联实现量子成像和量子高阶干涉，可以获得经典方法无法得到的信息，在无透镜成像领域和精密测量方面有着重要的应用潜力。

 

 

 

（4）  冷原子物理和量子存储

光与原子相干作用导致的电磁诱导透明效应，在量子信息处理、量子中继器和量子存储方面具有潜在应用。我们将基于冷原子体系，利用电磁诱导透明效应及非线性四波混频作用，开展量子高维信息的存储和操控的研究。

 

（5）经典光学新现象的实验研究

1）光子的自旋Hall效应（SHEL）：SHEL是一种偏振依赖的入射面外的光束位移现象，类似于固体物理中的自旋Hall效应，只不过固体中的电子自旋由光子自旋或偏振来替代，而电子感受的电势梯度则由光子传播路径上的折射率梯度来替代。我们主要SHEL的物理机理及其潜在应用。2）无衍射光束是一类特殊的光束，它是指光束横截面上的光强分布不随传播距离的增加而变化，具有广阔的应用前景。无衍射光束有许多种，如贝塞尔光束、马丢光束、艾里光束等。艾里光束除了具有无衍射光束共有的无衍射和自愈合特性外, 还具有自弯曲传输的奇异特性，即光束在自由空间中传播时会有二次曲线形式的位移。这一特性使得艾里光在微粒操控和产生弯曲等离子轨道等方面有着广阔的应用前景。我们研究了艾里光束在自由空间中的传输特性和基于四波混频过程的频率变换，目前正在研究基于相干原子介质实现对艾里光束传输特性，尤其是自弯曲特性的调控。