Abstract

We propose a single-photon spin-orbit entangled state analyzer for investigating the effective dimensionality of the Hilbert space spanned by spin and orbital angular momentum (OAM) states of twin photons from a spontaneous parametric downconversion (SPDC). The Pancharatnam–Berry phase element, the key element called a q plate equipped in the analyzer, induces the coupling between spin and OAM. It is found that the Shannon dimensionality of quantum channels in SPDC can be evidently increased owing to the spin-orbit hyperentanglement.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. Molina-Terriza, J. P. Torres, and L. Torner, Nat. Phys. 3, 305 (2007).
    [CrossRef]
  2. P. G. Kwiat, J. Mod. Opt. 44, 2173 (1997).
  3. J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
    [CrossRef]
  4. M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. T.-C. Wei, J. T. Barreiro, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. A 75, 060305 (2007).
    [CrossRef]
  6. J. T. Barreiro, T.-C. Wei, and P. G. Kwiat, Nat. Phys. 4, 282 (2008).
    [CrossRef]
  7. S. Franke-Arnold, L. Allen, and M. Padgett, Laser Photonics Rev. 2, 299 (2008).
    [CrossRef]
  8. A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
    [CrossRef]
  12. L. Marrucci, Proc. SPIE 6587, 658708 (2007).
    [CrossRef]
  13. L. Marrucci, C. Manzo, and D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. S. C. McEldowney, D. M. Shemo, R. A. Chipman, and P. K. Smith, Opt. Lett. 33, 134 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. L. Chen and W. She, Opt. Express 16, 14629 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
    [CrossRef]
  17. A. V. Belinskii and D. N. Klyshko, JETP 78, 259 (1994).
  18. J. Leach, B. Jack, J. Romero, M. Ritsch-Marte, R. W. Boyd, A. K. Jha, S. M. Barnett, S. Franke-Arnold, and M. J. Padgett, Opt. Express 17, 8287 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  19. J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]

2009

2008

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

J. T. Barreiro, T.-C. Wei, and P. G. Kwiat, Nat. Phys. 4, 282 (2008).
[CrossRef]

S. Franke-Arnold, L. Allen, and M. Padgett, Laser Photonics Rev. 2, 299 (2008).
[CrossRef]

S. C. McEldowney, D. M. Shemo, R. A. Chipman, and P. K. Smith, Opt. Lett. 33, 134 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

L. Chen and W. She, Opt. Express 16, 14629 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

2007

L. Marrucci, Proc. SPIE 6587, 658708 (2007).
[CrossRef]

T.-C. Wei, J. T. Barreiro, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. A 75, 060305 (2007).
[CrossRef]

G. Molina-Terriza, J. P. Torres, and L. Torner, Nat. Phys. 3, 305 (2007).
[CrossRef]

2006

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

L. Marrucci, C. Manzo, and D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

2005

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
[CrossRef]

2004

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2001

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

1999

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

1997

P. G. Kwiat, J. Mod. Opt. 44, 2173 (1997).

1994

A. V. Belinskii and D. N. Klyshko, JETP 78, 259 (1994).

Aiello, A.

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Allen, L.

S. Franke-Arnold, L. Allen, and M. Padgett, Laser Photonics Rev. 2, 299 (2008).
[CrossRef]

Appelbaum, I.

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

Barbieri, M.

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Barnett, S. M.

Barreiro, J. T.

J. T. Barreiro, T.-C. Wei, and P. G. Kwiat, Nat. Phys. 4, 282 (2008).
[CrossRef]

T.-C. Wei, J. T. Barreiro, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. A 75, 060305 (2007).
[CrossRef]

J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
[CrossRef]

Belinskii, A. V.

A. V. Belinskii and D. N. Klyshko, JETP 78, 259 (1994).

Boyd, R. W.

Cabello, A.

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, L.

Chipman, R. A.

de Martini, F.

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Eberhard, P. H.

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

Eliel, E. R.

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Franke-Arnold, S.

Jack, B.

Jha, A. K.

Klyshko, D. N.

A. V. Belinskii and D. N. Klyshko, JETP 78, 259 (1994).

Kwiat, P. G.

J. T. Barreiro, T.-C. Wei, and P. G. Kwiat, Nat. Phys. 4, 282 (2008).
[CrossRef]

T.-C. Wei, J. T. Barreiro, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. A 75, 060305 (2007).
[CrossRef]

J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
[CrossRef]

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

P. G. Kwiat, J. Mod. Opt. 44, 2173 (1997).

Langford, N. K.

J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
[CrossRef]

Leach, J.

Ma, X.

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Mair, A.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Manzo, C.

L. Marrucci, C. Manzo, and D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Marrucci, L.

L. Marrucci, Proc. SPIE 6587, 658708 (2007).
[CrossRef]

L. Marrucci, C. Manzo, and D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Mataloni, P.

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

McEldowney, S. C.

Molina-Terriza, G.

G. Molina-Terriza, J. P. Torres, and L. Torner, Nat. Phys. 3, 305 (2007).
[CrossRef]

Nienhuis, G.

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Oemrawsingh, S. S. R.

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Padgett, M.

S. Franke-Arnold, L. Allen, and M. Padgett, Laser Photonics Rev. 2, 299 (2008).
[CrossRef]

Padgett, M. J.

Paparo, D.

L. Marrucci, C. Manzo, and D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Peters, N. A.

J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
[CrossRef]

Pors, J. B.

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

Ritsch-Marte, M.

Romero, J.

She, W.

Shemo, D. M.

Smith, P. K.

't Hooft, G. W.

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Torner, L.

G. Molina-Terriza, J. P. Torres, and L. Torner, Nat. Phys. 3, 305 (2007).
[CrossRef]

Torres, J. P.

G. Molina-Terriza, J. P. Torres, and L. Torner, Nat. Phys. 3, 305 (2007).
[CrossRef]

Vallone, G.

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

van Exter, M. P.

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Vaziri, A.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Voigt, D.

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Waks, E.

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

Wei, T.-C.

J. T. Barreiro, T.-C. Wei, and P. G. Kwiat, Nat. Phys. 4, 282 (2008).
[CrossRef]

T.-C. Wei, J. T. Barreiro, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. A 75, 060305 (2007).
[CrossRef]

Weihs, G.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

White, A. G.

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

Woerdman, J. P.

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Zeilinger, A.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

J. Mod. Opt.

P. G. Kwiat, J. Mod. Opt. 44, 2173 (1997).

JETP

A. V. Belinskii and D. N. Klyshko, JETP 78, 259 (1994).

Laser Photonics Rev.

S. Franke-Arnold, L. Allen, and M. Padgett, Laser Photonics Rev. 2, 299 (2008).
[CrossRef]

Nat. Phys.

G. Molina-Terriza, J. P. Torres, and L. Torner, Nat. Phys. 3, 305 (2007).
[CrossRef]

J. T. Barreiro, T.-C. Wei, and P. G. Kwiat, Nat. Phys. 4, 282 (2008).
[CrossRef]

Nature

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. A

J. B. Pors, A. Aiello, S. S. R. Oemrawsingh, M. P. van Exter, E. R. Eliel, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 77, 033845 (2008).
[CrossRef]

P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, Phys. Rev. A 60, R773 (1999).
[CrossRef]

T.-C. Wei, J. T. Barreiro, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. A 75, 060305 (2007).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

J. T. Barreiro, N. K. Langford, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, Phys. Rev. Lett. 95, 260501 (2005).
[CrossRef]

M. Barbieri, F. de Martini, P. Mataloni, G. Vallone, and A. Cabello, Phys. Rev. Lett. 97, 140407 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, E. R. Eliel, G. Nienhuis, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 92, 217901 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. S. R. Oemrawsingh, X. Ma, D. Voigt, A. Aiello, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 95, 240501 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

L. Marrucci, C. Manzo, and D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

J. B. Pors, S. S. R. Oemrawsingh, A. Aiello, M. P. van Exter, E. R. Eliel, G. W. 't Hooft, and J. P. Woerdman, Phys. Rev. Lett. 101, 120502 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Proc. SPIE

L. Marrucci, Proc. SPIE 6587, 658708 (2007).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Proposed scheme for increasing Shannon dimensionality in SPDC using single-photon spin-orbit entangled state analyzer. (b) Analyzer consisting of a rotatable q plate ( q @ β ) , a horizontal polarizer (H-polarizer), a coupling lens, a single-mode fiber (SMF), and a single-photon detector (D).

Fig. 2
Fig. 2

Some types of q plates, where the orientation of optical axis is tangent locally to the line.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Coincidence curves for different q plates and (b) the corresponding Shannon dimensionality.

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Ψ 0 = 1 2 ( L 1 R 2 + R 1 L 2 ) ( m C m m 1 m 2 ) .
Ana ( q , β ) = 1 2 n = + [ N ( β , n ) L n + N * ( β , n ) R n ] ,
P ( q , β ) = β 2 π cos [ 4 π q 2 ( q 1 ) β ] + ( 1 β 2 π ) cos [ 2 ( q 1 ) β ] 2 .

Metrics