偏振干涉棱镜：生成矢量场、测量拓扑电荷与实现自旋-轨道受控非门的通用工具

光学涡旋与矢量场是两类重要的结构化光场。由于它们在许多科学领域中的广泛应用与独特特征，此类光场的生成、操控与测量已引起极大关注并成为非常重要的课题。然而，大多数生成矢量场的方法在灵活性、效率、稳定性和简便性之间存在权衡。同时，一种简单直接地测量拓扑电荷（尤其是高阶光学涡旋）的方法仍具挑战。在此我们设计并制造了一种棱镜：偏振干涉棱镜（PIP）作为单元件干涉仪，它可方便地将光学涡旋高效转换为矢量场，并可用于精确测量任意光学涡旋（即使是高阶）的拓扑电荷（绝对值与符号）。实验中我们生成了多种矢量场，其全局保真度介于 0.963 至 0.993 之间，并通过计数输出强度图案上均匀分布于环上的花瓣数来测量光学涡旋的拓扑电荷。作为生成、操控和探测单光子自旋-轨道态的通用工具，PIP 也可在单光子体制下工作用于量子信息处理。实验中，PIP 作为自旋-轨道受控非门作用于生成的 28 个两量子比特态，实现了 0.966 至 0.995 的态保真度，并展示了 PIP 用于单光子的可行性。