一種可存儲高維量子態(tài)的固態(tài)量子存儲裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及一種可以存儲高維量子態(tài)的固態(tài)量子存儲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]量子信息科學(xué)對保密通信和高性能計算給出了革命性的解決方案。人們可以利用量子密鑰分配實現(xiàn)基于量子力學(xué)原理的無條件安全密鑰分配。量子并行性又使得量子計算可以實現(xiàn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典計算機的計算能力。光子是量子網(wǎng)絡(luò)的天然信息載體，然而由于光子在光纖中傳輸?shù)膿p耗與傳輸距離呈指數(shù)關(guān)系增長，目前量子通信的距離受限于三百公里左右。為克服這一困難，人們提出了基于量子中繼的遠(yuǎn)程通信方案。它依靠糾纏交換和量子存儲技術(shù)有效地克服了光子指數(shù)衰減的困難，使得五百公里以上的量子通信成為可能?；诹孔哟鎯Φ姆植际搅孔佑嬎憔W(wǎng)絡(luò)還可實現(xiàn)不同位置的量子處理器并行運算。所以量子存儲器是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心部件，實用化量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建依賴于高性能量子存儲器的物理實現(xiàn)。量子存儲器利用原子能級的共振光學(xué)躍迀實現(xiàn)對單光子的捕獲及存取。評價量子存儲器性能的主要指標(biāo)包括:存儲壽命、保真度、存儲效率、存儲帶寬、存儲維度及復(fù)用模式數(shù)。
[0003]現(xiàn)在比較成熟的量子存儲器包括以下幾種體系:
[0004]I)氣態(tài)原子系綜。氣態(tài)原子系綜是由大量自由空間的孤立原子構(gòu)成的，這是最早實現(xiàn)單光子量子存儲的系統(tǒng)。氣態(tài)原子系綜分為冷原子系綜和熱原子系綜。熱原子系綜內(nèi)的原子在空間內(nèi)自由運動，原子間的碰撞會導(dǎo)致退相干，故存儲壽命較短。冷原子系綜一般采用激光冷卻加磁光阱囚禁的辦法，使其相干壽命提高。它的所有原子在超低溫下顯示完全一致的光學(xué)吸收線，故可以達到很高的光學(xué)深度以提高光子捕獲的效率。目前基于原子系綜的存儲方案主要有電磁感應(yīng)致透明、梯度回波存儲以及失諧拉曼存儲。冷原子存儲的主要優(yōu)點是存儲效率較高。但它的所有原子呈現(xiàn)完全一致的光學(xué)吸收頻率，故系綜吸收帶寬過窄，導(dǎo)致其存儲帶寬也受限在1MHz量級。另外，由于自由空間的原子仍然會在空間內(nèi)運動碰撞，目前冷原子量子存儲的壽命為ms量級，進一步提升存儲壽命需要用到更加復(fù)雜的冷卻及囚禁技術(shù)，成本過高，不利于實用化。
[0005]2)單個束縛原子。單個原子體系由于所處的環(huán)境非常純凈，無明顯的退相干因素，適用于存儲單光子。但是自然界中的原子都是以大團原子簇的形式出現(xiàn)的，想要捕獲單個原子并穩(wěn)定的束縛住它是非常困難的。另外，單原子與單光子的耦合非常弱，原子需要放在一個強耦合的光學(xué)腔中以增強其捕獲單光子的能力。所以實現(xiàn)單原子量子存儲器需要構(gòu)建一個非常昂貴和復(fù)雜的系統(tǒng)，且這樣的系統(tǒng)沒有好的可集成性和可擴展性。單原子的存儲效率也較高，但類似于原子系綜，它的存儲帶寬及存儲壽命也是不滿足實用要求的?？紤]到其物理體系只是單一的原子，無法接受多個光子激發(fā)，其存儲維度數(shù)或復(fù)用模式數(shù)也是最低的。
[0006]3)稀土離子摻雜晶體。稀土離子的4f — 4f能級轉(zhuǎn)移在低溫下具有毫秒量級的光學(xué)相干時間，其自旋能態(tài)具有超過一小時的超長壽命。這使得稀土離子十分適用于光量子態(tài)的存儲。相對于目前研宄已經(jīng)較成熟的冷原子、熱原子，單原子等量子存儲系統(tǒng)，稀土摻雜晶體具有明顯的優(yōu)勢:離子自旋態(tài)相干壽命長，提供長時間的存儲；有多種摻雜離子可選，可提供光纖通訊窗口波長；離子系綜非均勻展寬很寬(IGHz?100GHz)，可提供寬帶存儲；雜質(zhì)離子天然囚禁在宿主晶體中，位置穩(wěn)定，適合作空間信息存儲；所用存儲樣品商業(yè)化，易加工、購買；作為固態(tài)體系，易集成和擴展，物化性質(zhì)穩(wěn)定?；谙⊥翐诫s晶體的固態(tài)量子存儲器，目前弱光存儲時間達1ms，理論存儲時間可超過I小時，存儲效率達70%，存儲保真度達99%，單光子存儲的時間復(fù)用模式數(shù)達100個，存儲帶寬達5GHz。這些優(yōu)異的性能表現(xiàn)使得基于稀土摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器有望在未來量子網(wǎng)絡(luò)中獲得重要的應(yīng)用。
[0007]值得關(guān)注的是，光具有諸多自由度可以攜帶信息，包括頻率、相位、時間-能量、偏振、軌道角動量等。目前固態(tài)量子存儲器成功實現(xiàn)對光子頻率、相位、時間-能量以及偏振信息的存儲。固態(tài)量子存儲的寬帶寬和長壽命使得其具有時間域以及頻率域的多模式存儲能力，其單光子存儲的時間復(fù)用模式數(shù)已被證明可達100個，頻率域的復(fù)用模式數(shù)達20個?；诹孔又欣^的量子通信的速率與存儲器復(fù)用模式數(shù)為近似線性關(guān)系的正相關(guān)，故提高存儲器的復(fù)用模式數(shù)至關(guān)重要。軌道角動量自由度具有其獨特的優(yōu)勢，它描述了光子波前的橫向分布，原則上具有不受限制的量子數(shù)。軌道角動量自由度可以實現(xiàn)高維度的信息編碼并支持存儲器在空間域的多模式運行，從而極大的提高通信的比特率。高軌道角動量光子的光斑大小與量子數(shù)正相關(guān)，所以實現(xiàn)高軌道角動量存儲對存儲體系的關(guān)鍵要求是存儲器的空間尺寸應(yīng)足夠大。這一要求在固態(tài)體系中天然地滿足了，存儲器空間尺寸可達幾十毫米，支持上萬個軌道角動量模式的存儲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種可存儲高維量子態(tài)的空間復(fù)用型固態(tài)量子存儲裝置，其存儲維度高且易于實現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]一種可存儲高維量子態(tài)的固態(tài)量子存儲裝置，該裝置包括:固態(tài)量子存儲單元、泵浦激光單元和軌道角動量分析單元，其中:
[0011]所述泵浦激光單元用于產(chǎn)生待存儲的信號光子，制備所述固態(tài)量子存儲裝置所需的泵浦光，并將信號光子和泵浦光輸出給所述固態(tài)量子存儲單元，將所述信號光子輸出給所述軌道角動量分析單元；
[0012]所述固態(tài)量子存儲單元用于將接收到的信號光子與來自泵浦激光單元的泵浦光相結(jié)合，并將所述信號光子送入所述軌道角動量分析單元中進行分析；
[0013]所述軌道角動量分析單元用于對接收到的信號光子的軌道角動量量子態(tài)進行分析，以實現(xiàn)高維量子態(tài)存儲及空間域的多模式運行。
[0014]可選地，所述信號光子可攜帶軌道角動量信息。
[0015]可選地，所述分析至少包括初態(tài)制備、態(tài)變換以及態(tài)測量。
[0016]可選地，所述泵浦激光單元包括:連續(xù)激光器、第一聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器與第二聲光調(diào)制器，其中:
[0017]所述連續(xù)激光器用于輸出連續(xù)可調(diào)諧的激光；
[0018]所述第一聲光調(diào)制器用于根據(jù)所述連續(xù)激光器輸出的激光產(chǎn)生固態(tài)量子存儲裝置制備所需的泵浦光；
[0019]所述電光調(diào)制用于拓展所述第一聲光調(diào)制器輸出的泵浦光的帶寬；
[0020]所述第二聲光調(diào)制器用于產(chǎn)生待存儲的信號光子。
[0021]可選地，所述連續(xù)激光器為連續(xù)鈦寶石激光器。
[0022]可選地，所述第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器為TeO2材料的聲光晶體。
[0023]可選地，所述固態(tài)量子存儲單元包括:稀土摻雜晶體、透鏡組、低溫腔及磁場、與斬波器組，其中:
[0024]所述稀土摻雜晶體用于對于信號光子進行捕獲；
[0025]透鏡組用于對于信號光子進行聚焦并使其在稀土摻雜晶體上與泵浦光相結(jié)合；
[0026]所述低溫腔及磁場用于對于所述稀土摻雜晶體進行冷卻；
[0027]所述斬波器組用于將泵浦光與信號光子在時間上分離。
[0028]可選地，所述稀土慘雜晶體為Nd:YV04晶體。
[0029]可選地，所述軌道角動量分析單元包括:第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、單模光纖及單光子探測裝置，其中:
[0030]所述第一空間光調(diào)制器用于將所述第二聲光調(diào)制器產(chǎn)生的信號光子的空間模式轉(zhuǎn)換為高維空間的量子疊加態(tài)；
[0031]所述第二空間光調(diào)制器用于將所述固態(tài)量子存儲單元讀取出的信號光子的軌道角動量量子態(tài)轉(zhuǎn)換為高斯模式；
[0032]所述單模光纖用于將所述固態(tài)量子存儲系統(tǒng)讀取出的信號光子的軌道角動量量子態(tài)向高斯模式上投影；
[0033]所述單光子探測裝置用于對所述固態(tài)量子存儲系統(tǒng)讀取出的信號光子做時間關(guān)聯(lián)的光子計數(shù)分析并記錄分析結(jié)果。
[0034]可選地，所述第一空間光調(diào)制器和第二空間光調(diào)制器為純相位調(diào)制器。
[0035]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，將固態(tài)量子存儲裝置配合泵浦光單元的泵浦光，可以實現(xiàn)任意軌道角動量量子態(tài)的存儲，利用軌道角動量分析單元可以驗證高維量子態(tài)的存儲以及存儲器的空間域復(fù)用；上述技術(shù)方案所采用的設(shè)備易于操作且穩(wěn)定性高，其存儲的量子態(tài)維度數(shù)高且空間模式容量大。
【附圖說明】
[0036]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0037]圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種可存儲高維量子態(tài)的固態(tài)量子存儲裝置的模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2為本發(fā)明一實施例提供的可存儲高維量子態(tài)的固態(tài)量子存儲裝置的工作原理示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)