從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的路徑糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的路徑糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子通信是近年來(lái)興起的一種新型通信方式。通過(guò)將信息編碼于具有量子特性的 物理系統(tǒng)，而對(duì)信息的處理實(shí)際上就是對(duì)物理系統(tǒng)量子態(tài)的操控。利用系統(tǒng)狀態(tài)的量子特 性，例如量子糾纏、測(cè)量塌縮、量子態(tài)不可克隆等，使得量子通信過(guò)程較經(jīng)典通信更加的安 全，高效，抗干擾。隨著對(duì)量子通信網(wǎng)絡(luò)研究的深入，人們陸續(xù)提出了各種量子通信方法W 解決信息的傳輸、信息的加密、秘鑰的分發(fā)、秘密共享等通信問(wèn)題。
[0003] 目前在實(shí)驗(yàn)室可W在光學(xué)系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)，腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、核磁共振系統(tǒng) 等多重物理系統(tǒng)中產(chǎn)生可用于量子通信的糾纏態(tài)。而不同系統(tǒng)中所產(chǎn)生的量子糾纏態(tài)，信 息載體各不相同，可W是W原子作為信息載體，也可W是W當(dāng)個(gè)光子作為信息的載體、或者 W相干光束作為信息載體等。不同載體的糾纏態(tài)適合于通信的不同過(guò)程，例如光子適合于 傳輸，而原子適合于存儲(chǔ)。因此，在通信過(guò)程中往往需要將信息從一種載體轉(zhuǎn)換到另一種載 體上，稱為量子信息轉(zhuǎn)換(quant皿information transfer)。近年來(lái)，人們陸續(xù)從理論和實(shí) 驗(yàn)室提出了一些量子信息轉(zhuǎn)換的方案。運(yùn)些方案主要關(guān)注于能量態(tài)之間的糾纏，而很少設(shè) 計(jì)路徑(或空間）之間糾纏，即目前的理論和實(shí)驗(yàn)方案所關(guān)注的糾纏態(tài)主要有原子系統(tǒng)的能 量態(tài)或粒子數(shù)態(tài)直接的糾纏，光子系統(tǒng)粒子數(shù)態(tài)或偏振態(tài)之間的糾纏，而很少設(shè)及到原子 或光子在路徑(或空間）之間糾纏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的路徑糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)換方法，能 夠從實(shí)際的可操作性出發(fā)，利用=能級(jí)原子與光學(xué)腔之間的相互作用，提出一個(gè)將原子的 路徑糾纏轉(zhuǎn)換為光子的路徑糾纏態(tài)的方法。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的路徑糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)換方 法，包括：
[0006] 假設(shè)預(yù)先制備了一個(gè)處于基態(tài)的單原子比特態(tài)，分別W原子飛行的兩種可能路徑 作為原子的兩個(gè)可區(qū)分狀態(tài)，根據(jù)所述兩個(gè)可區(qū)分狀態(tài)寫(xiě)出所述原子的狀態(tài)；
[0007] 原子飛行的上、下路徑上分別放置一個(gè)光學(xué)腔，分別為光學(xué)腔B和光學(xué)腔C，使原子 進(jìn)入光學(xué)腔B或C;
[000引在與光學(xué)腔B和C的軸線垂直的方向上各裝備一臺(tái)拉比頻率為Q p(t)的激光器，將 激光器調(diào)整至滿足條件之間的相互作用哈密頓量；
[0009] 通過(guò)控制累浦光的拉比頻率Qp(t)>>gc在絕熱近似條件下變化，使得光學(xué)腔和 原子所組成的系統(tǒng)由狀態(tài)I lg，〇>B(U轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)I If，1>BW，從而使得原子狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镮 f >，同時(shí)在腔中產(chǎn)生單個(gè)光子；
[0010] 將失諧量被設(shè)定為A >>Qp(t)，隨著腔的衰減，單光子通過(guò)作為輸出禪合器的 鏡片離開(kāi)光學(xué)腔，沿著U(L)方向傳播；
[0011]調(diào)整原子囚禁裝置，將所有原子從腔中釋放出來(lái)。
[001^ 進(jìn)一步的，在上述方法中，所述原子的狀態(tài)寫(xiě)為I 4>=a|u>+引d>，其中|11>和 d>分別表示原子飛行的路徑I和路徑II，參數(shù)a和0為實(shí)數(shù)，且滿足條件a2+護(hù)=1，參數(shù)a和0 描述了原子比特的所有信息。
[0013] 進(jìn)一步的，在上述方法中，使原子進(jìn)入光學(xué)腔B或C，包括：
[0014] 當(dāng)原子處于IU>，將進(jìn)入光學(xué)腔B，反之，則進(jìn)入光學(xué)腔C。
[0015] 進(jìn)一步的，在上述方法中，原子飛行的上、下路徑上分別放置一個(gè)光學(xué)腔，分別為 光學(xué)腔B和光學(xué)腔C，使原子進(jìn)入光學(xué)腔B或C的步驟中：
[0016] 在粒子數(shù)表象下，原子與光學(xué)腔B或C的量子態(tài)用直積態(tài)I ns，n >來(lái)表示，其中，I ns >表示原子模的化ck態(tài)，下標(biāo)s = g，e，f表示原子的能級(jí)，|n>代表腔場(chǎng)的化ck態(tài)。
[0017] 進(jìn)一步的，在上述方法中，原子與兩個(gè)光學(xué)腔所組成的系統(tǒng)的狀態(tài)寫(xiě)為a Ilg,〇>B 0>c+e|0>B|lg，0>c，兩個(gè)光學(xué)腔都只支持一個(gè)本征模，且兩個(gè)腔中的光場(chǎng)都與原子躍遷 / >0 |e >近共振，原子與腔之間的禪合強(qiáng)度為gc，失諧量為Ac=COc-Wf,其中，W C表示 腔場(chǎng)的頻率，Wf為原子能級(jí)I f>和能級(jí)I e>之間的躍遷頻率。
[0018] 進(jìn)一步的，在上述方法中，所述激光器的激光脈沖的頻率O P與原子躍遷頻率 備>0 |色 >之間的失諧量為A C = W廠W g。
[0019] 進(jìn)一步的，在上述方法中，所述哈密頓量寫(xiě)為：
[0020] '好巧。=-么|公>< e|+Op倘(|e >< g|+|g >< ej) + ge (?的 復(fù)|十彷;|g >< e|)，
[0021] 其中，叫似分別是腔模光子的產(chǎn)生、煙滅算符。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了一個(gè)W兩能級(jí)原子為信息載體的，信息是編碼在 原子或光子的空間位置上的，信息從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是確定性的，而不是概率 性的，通過(guò)原子兩個(gè)基態(tài)之間的絕熱受激拉曼躍遷(STIRAP)，在光學(xué)腔中產(chǎn)生單光子。本發(fā) 明可W在量子秘密共享后重新恢復(fù)秘密信息的方法，該方法中，每一位發(fā)送者只掌握一部 分的秘密信息，并且秘密信息是通過(guò)量子信道傳輸?shù)模蚨哂泻芎玫陌踩?該方法設(shè)及 到的技術(shù)主要是目前實(shí)驗(yàn)上較為成熟的利用經(jīng)典電磁場(chǎng)與單個(gè)兩能級(jí)原子相互作用，實(shí)現(xiàn) 對(duì)原子狀態(tài)進(jìn)行操控的技術(shù)，具有實(shí)際的可操作性；同時(shí)，采用了=原子W型糾纏態(tài)作為量 子通道，能夠更好的克服環(huán)境噪聲的影響，具有較強(qiáng)的抗干擾性。本發(fā)明與W往很多相關(guān)研 究成果多數(shù)討論的是能量態(tài)或粒子數(shù)態(tài)之間的糾纏，與此不同的是，本發(fā)明關(guān)注的是兩個(gè) 空間模之間糾纏;本發(fā)明中光子是在原子與腔的相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的，而不需要事先制 備，因而不需要考慮光子的退相干；另外，在STIRAP過(guò)程中，沒(méi)有原子處于激發(fā)態(tài)，因此，在 此方案中原子的自發(fā)福射噪聲可W忽略。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的路徑糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)換方法的單個(gè) 原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0025] 本發(fā)明提供一種從原子系統(tǒng)到光子系統(tǒng)的路徑糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)換方法，包括：
[0026] 步驟SI,假設(shè)預(yù)先制備了一個(gè)處于基態(tài)的單原子比特態(tài)，分別W原子飛行的兩種 可能路徑作為原子的兩個(gè)可區(qū)分狀態(tài)，根據(jù)所述兩個(gè)可區(qū)分狀態(tài)寫(xiě)出所述原子的狀態(tài)，優(yōu) 選的，則所述原子的狀態(tài)寫(xiě)為I 4>=a|u>+引d>，其中|11>和|(1>分別表示原子飛行的 路徑巧日路徑II，參數(shù)a和0為實(shí)數(shù)，且滿足條件a 2+護(hù)=1，參數(shù)a和0描述了原子比特的所有信 息;具體的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案中設(shè)及的原子為A型=能級(jí)原子，能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1中 所示；
[0027] 步驟S2,原子飛行的上、下路徑上分別放置一個(gè)光學(xué)腔，分別為光學(xué)腔B和光學(xué)腔 C，使原子進(jìn)入光學(xué)腔B或C，優(yōu)選的，當(dāng)原子處于|u>，將進(jìn)入光學(xué)腔B，反之，則進(jìn)入光學(xué)腔 C，優(yōu)選的，在粒子數(shù)表象下，原子與光學(xué)腔B或C的量子態(tài)用直積態(tài)I ns，n>來(lái)表示，其中，I ns >表示原子模的化ck態(tài)，下標(biāo)s = g，e，f表示原子的能級(jí)，|n>代表腔場(chǎng)的化ck態(tài)，因此，優(yōu) 選的，原子與兩個(gè)光學(xué)腔所組成的系統(tǒng)的狀態(tài)寫(xiě)為曰山，0>6|0>0+引0>6山，0>^兩個(gè)光 學(xué)腔都只支持一個(gè)本征模，且兩個(gè)腔中的光場(chǎng)都與原子躍迂|/>〇|e>i至共振，原子與腔 之間的禪合強(qiáng)度為gc，失諧量為A C= CO C-Of,其中，COc表示腔場(chǎng)的頻率，COf為原子能級(jí)If >和能級(jí)I e>之間的躍遷頻率;詳細(xì)的，為了將加載與原子路徑上的信息a和0轉(zhuǎn)換到光子 的路徑上，在原子飛行的上、下路徑上分別放置一個(gè)光學(xué)腔，分別為光學(xué)腔B和光學(xué)腔C，如1 圖所示，當(dāng)原子處于I u>，將進(jìn)入光學(xué)腔B;反之，則進(jìn)入光學(xué)腔C，在粒子數(shù)表象下，原子與 光學(xué)腔B或C的量子態(tài)用直積態(tài)|ns，n>來(lái)表示，其中，|]13>表示原子模的化Ck態(tài)，下標(biāo)s = g, e，f表示原子的能級(jí)，|n>代表腔場(chǎng)的化Ck態(tài)，因此，原子與兩個(gè)光學(xué)腔所組成的系統(tǒng)的狀 態(tài)寫(xiě)為曰|^，〇>6|〇>0+引0>6|^，0>^兩個(gè)光學(xué)腔