一种光子隔离器以及量子通信设备的制作方法

本申请涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种光子隔离器以及量子通信设备。

背景技术

量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。由于在量子领域，量子的不可克隆原理能够保证单光子上加载的密钥无法被完整复制，使得量子通信能够保证信息的安全性。

在量子通信网络中需要精确的控制加载在单光子上的信息，还要控制单光子在量子通信网络中的传输路径(传输路径由量子通信网络中的一个或多个传输链路构成)。为了避免单光子在传输过程受到其他单光子的干扰，每个传输链路可以设置一个光子隔离器，以保证单光子在该传输链路上进行单向传输。

常见的光子隔离器是基于法拉第磁光效应实现的，在该种光子隔离器中包括两个偏振方向呈45°夹角的偏振器，为方便区分，分别称为偏振器1和偏振器2。偏振器1和偏振器2之间设置法拉第旋光器。当单光子从偏振器1进入法拉第旋光器后，由于磁光效应，在法拉第旋光器中，单光子的偏振方向沿某一方向发生了45°的偏转，法拉第旋光器出射的单光子偏振方向刚好与偏振器2的偏振方向一致，可以从偏振器2输出。当单光子从偏振器2进入法拉第旋光器后，同样由于磁光效应，在法拉第旋光器中，单光子的偏振方向沿相同方向发生了45°的偏转，使得法拉第旋光器出射的单光子的偏振方向与偏振器1的偏振方向正交，法拉第旋光器出射的单光子无法从偏振器1输出，由此实现单光子的单向传输。

但这类光子隔离器，需要外加磁场才能实现单向传输的功能，增加了光子隔离器的构建难度，也提高了构建成本。

技术实现要素：

本申请提供一种光子隔离器以及量子通信设备，用以提供一种构建难度低的光子隔离器。

第一方面，本申请实施例提供了一种光子隔离器，该光子隔离器包括控制光模块以及热原子腔。控制光模块能够输出第一控制光，热原子腔从第二端口接收第一控制光，从第一端口接收第一单光子，在热原子腔内第一单光子的传输方向和第一控制光的传输方向相反。热原子腔在接收到第一单光子和第一控制光后，可以对第一单光子和第一控制光进行作用，可以从第二端口输出第一单光子，可选的，热原子腔还可以从第一端口输出第一控制光。

通过上述光子隔离器，通过设置控制光模块以及热原子腔就能够保证第一单光子的单向传输，结构相对简单，能够有效减少构建成本。

在一种可能的实施方式中，控制光模块还可以输出第二控制光；热原子腔从第二端口接收第二控制光，还从第二端口接收第二单光子，在热原子腔内第二单光子的传输方向与第二控制光的传输方向相同。热原子腔在接收到第二单光子以及第二控制光后，可以对第二单光子以及第二控制光作用，吸收第二单光子，可选的，还可以吸收全部第二控制光，或部分第二控制光。

通过上述光子隔离器，该光子隔离器能够吸收与第一单光子传输方向相反的第二单光子，从而避免了其他链路的单光子噪声的影响，能够进一步保证设置有光子隔离器的传输链路上单光子的单向传输。

在一种可能的实施方式中，光子隔离器还可以包括两个光束控制器，分别为第一光束控制模块和第二光束控制模块。在第一单光子和第一控制光的传输过程中，第一光束控制模块可以将第一单光子传输至第一端口；第二光束控制模块可以将第一控制光传输至第二端口。

通过上述光子隔离器，两个光束控制器可以调整第一单光子和第一控制光的传输方向，使第一单光子和第一控制光通过不同的端口进入热原子腔，便于热原子腔能够对第一单光子和第一控制光作用。

在一种可能的实施方式中，在第二单光子和第二控制光的传输过程中，第二光束控制模块可以将第二单光子和第二控制光一同传输至第二端口；第一光束控制模块可以吸收从第一端口输出的第二控制光。

通过上述光子隔离器，两个光束控制器可以调整第二单光子和第二控制光的传输方向，使第二单光子和第二控制光通过相同的端口进入热原子腔，便于热原子腔能够对第二单光子和第二控制光作用。

在一种可能的实施方式中，第一光束控制模块包括第一分束器以及第一透镜。在第一单光子的传输过程中，第一分束器可以将第一单光子传输至第一透镜；之后，第一透镜将第一单光子传输至第一端口。

通过上述光子隔离器，第一分束器以及第一透镜配合可以使得第一单光子进入热原子腔，第一光束控制模块结构较为简单，能够降低光子隔离器的构建难度。

在一种可能的实施方式中，第一光束控制模块还包括光吸收模块；在第二控制光的传输过程中，第一分束器可以将从第一端口输出的第二控制光传输至光吸收模块；光吸收模块接收到第二控制光后，可以吸收第二控制光。

通过上述光子隔离器，第一分束器以及光吸收模块配合可以吸收热原子腔输出的第二控制光，能够保证第二控制光不再从光子隔离器输出，避免第二控制光对光子隔离器所在传输链路上光信号的干扰。

在一种可能的实施方式中，第二光束控制模块包括第二分束器、第二透镜。在第一控制光的传输过程中，第二分束器可以将第一控制光传输至第二透镜；之后，第二透镜将第一控制光传输至第二端口。

通过上述光子隔离器，第二分束器以及第二透镜配合可以使得第一控制光进入热原子腔，第二光束控制模块结构较为简单，能够降低光子隔离器的构建难度。

在一种可能的实施方式中，在第二单光子和第二控制光的传输过程中，第二分束器可以将第二控制光和第二单光子一同传输至第二透镜；之后，第二透镜将第二控制光和第二单光子传输至第二端口。

通过上述光子隔离器，第二分束器以及第二透镜配合可以使得第二单光子和第二控制光一同进入热原子腔。

在一种可能的实施方式中，热原子腔中充斥有原子，热原子腔内充斥的原子可以是三能级原子，也可以是里德堡原子。

通过上述光子隔离器，三能级原子或里德堡原子能够对输入到热原子腔的单光子以及控制光进行作用，保证热原子腔能够输出第一单光子或吸收第二单光子。

在一种可能的实施方式中，热原子腔在对第一单光子和第一控制光进行作用时，可以使第一单光子和第一控制光发生频率偏移，第一单光子和第一控制光的频率偏移的值大小相同，方向相反。

通过上述光子隔离器，热原子腔可以使传输方向相反的第一单光子和第一控制光发生频率偏移，且频率偏移的值大小相同，方向相反，以保证第一单光子可以从热原子腔输出。

在一种可能的实施方式中，热原子腔在吸收第二单光子时，使第二单光子和第二控制光发生频率偏移，第二单光子和第二控制光的频率偏移的值大小相同，方向相同。

通过上述光子隔离器，热原子腔可以使传输方向相同的第二单光子和第二控制光发生频率偏移，且频率偏移的值大小相同，方向相同，以保证热原子腔可以吸收第二单光子。

第二方面，本申请实施例提供了量子通信设备，应用于量子通信网络，量子通信设备包括量子存储器以及如第一方面以及第一方面任一种实施方式所述的光子隔离器；该量子存储器可以存储第一单光子，还可以将存储的第一单光子传输至光子隔离器。

附图说明

图1为本申请提供的一种光子隔离器的结构示意图；

图2为本申请提供的一种光子隔离器的结构示意图；

图3A为本申请提供的一种第一单光子以及第一控制光传输示意图；

图3B为本申请提供的一种第二单光子以及第二控制光传输示意图；

图4为本申请提供的一种第一光束控制模块的结构示意图；

图5A为本申请提供的一种第一单光子以及第一控制光传输示意图；

图5B为本申请提供的一种第二单光子以及第二控制光传输示意图；

图6为本申请提供的一种第二光束控制模块的结构示意图；

图7A为本申请提供的一种第一单光子以及第一控制光传输示意图；

图7B为本申请提供的一种第二单光子以及第二控制光传输示意图；

图8为本申请提供一种量子通信设备的结构示意图。

具体实施方式

本申请提供了一种光子隔离器以及量子通信设备，用以提供一种便于实现且成本较低的光子隔离器。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种光子隔离器，该光子隔离器100中包括控制光模块110以及热原子腔120。

在本申请实施例中，控制光模块110可以输出控制光，如第一控制光、或第二控制光。其中，控制光可以为连续光，本申请实施例并不限定控制光模块110的结构，例如，控制光模块110可以包括光源、偏振分束器以及透镜等组件，凡是能够输出控制光的模块均适用于本申请实施例。

热原子腔120能够接收单光子(如第一单光子或第二单光子)以及控制光，并对接收的单光子以及控制光进行作用，在对单光子以及控制光作用后，输出单光子或者吸收单光子(也即不输出单光子)。

具体的，对于在热原子腔120中传输方向相同的单光子以及控制光，例如，热原子腔120从同一端口接收单光子以及控制光，热原子腔120可以吸收单光子，可选的，热原子腔120也可以吸收控制光。

对于在热原子腔120中传输方向不同的单光子以及控制光，例如，热原子腔120从不同端口接收单光子以及控制光，热原子腔120可以输出单光子，可选的，热原子腔120也可以输出控制光。

下面对热原子腔120对单光子以及控制光的作用过程进行进一步说明：

参见图2，热原子腔120可以设置两个端口，分别为第一端口和第二端口，第一端口和第二端口相对设置。在本申请实施例中仅是以控制光模块110设置在热原子腔120的第二端口侧为例进行说明，控制光模块110输出的控制光可以从第二端口进入热原子腔120。

对于在热原子腔120内单光子和控制光传输方向相反的情况，热原子腔120可以从第一端口接收第一单光子，从第二端口接收第一控制光。热原子腔120从不同端口接收第一单光子和第一控制光，热原子腔120内第一单光子的传输方向是由第一端口指向第二端口，第一控制光的传输方向是由第二端口指向第一端口。可见，热原子腔120内第一单光子和第一控制光的传输方向是相对的，也即传输方向相反。

热原子腔120对第一单光子和第一控制光作用后，可以从第二端口输出第一单光子，从第一端口输出第一控制光。

对于在热原子腔120内单光子和控制光传输方向相同的情况，热原子腔120从第二端口接收第二单光子以及第二控制光。热原子腔120从相同端口接收第二单光子和第二控制光，第二单光子和第二控制光在热原子腔120内的传输方向均是由第二端口指向第一端口，热原子腔120内第二单光子和第二控制光的传输方向是相同的。

热原子腔120对第二单光子和第二控制光作用时，可以吸收第二单光子，热原子腔120也可以是吸收第二控制光。

光子隔离器100中还可以在热原子腔120两侧设置光束控制模块，光束控制模块可以具备如下两个功能：功能一、将单光子和/或控制光输入至热原子腔120，也即将单光子和/或控制光传输至热原子腔120的端口。功能二、吸收从热原子腔120内输出的控制光。

为了方便说明，将设置在热原子腔第一端口侧的光束控制模块称为第一光束控制模块，设置在热原子腔第二端口侧的光束控制模块称为第二光束控制模块。

下面结合光束控制模块对光子隔离器100内单光子以及控制光的传输过程进行说明。

(1)、第一单光子和第一控制光的传输过程。

参见图3A，为本申请实施例提供的一种光子隔离器100，该光子隔离器100包括控制光模块110、热原子腔120、第一光束控制模块130以及第二光束控制模块140。

在图3A中，用黑色实线表示第一控制光的传输方向，用黑色虚线表示第一单光子的传输方向，从图3A中可以看出，控制光模块110输出第一控制光，第二光束控制模块140接收第一控制光，并将第一控制光传输至第二端口，使得第一控制光从第二端口进入热原子腔120。

第一光束控制模块130接收第一单光子，并将第一单光子传输至第一端口，使得第一单光子从第一端口进入热原子腔120。

热原子腔120内充斥有原子，在热原子腔120内的原子的作用下，第一单光子和第一控制光会发生频率偏移，由于第一单光子与第一控制光在热原子腔120内传输方向相反，使得第一单光子和第二控制光发生的频率偏移的方向相反，频率偏移的值相同。例如，热原子腔120内的原子的分布速率为v，则第一单光子和第一控制光发生的频率偏移值为kv，其中，k为开普勒常量。

热原子腔120内充斥的原子可以为三能级原子，也可以为里德堡原子，其中，三能级原子是指包括有三个能级的原子，如铷原子、碱金属原子等，里德堡原子也称为高激发原子，高激发原子中的一个价电子被激发到高量子态，该类原子的主量子数通常较大。

以热原子腔120内充斥的原子可以为三能级原子为例，在三能级原子的作用下，第一单光子和第一控制光发生频率偏移，频率偏移的方向相反，偏移的值相同，若发生了频率偏移后的第一单光子和第一控制光与三能级原子的能级系统匹配，也即频率偏移后的第一单光子具备的能量可以使得三能级原子的电子从第一能级跃迁到第二能级，频率偏移后的第一控制光具备的能量可以使得三能级原子的电子从第二能级跃迁到第三能级。这种情况下，第一单光子以和第一控制光实现双光子共振干涉，产生电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency，EIT)，使得第一单光子能够从第二端口中输出，第一控制光从第一端口输出。

从第一单光子和第一控制光的传输过程中可以看出，本申请实施例提供的光子隔离器100，能够使得与第一控制光传输方向相反的第一单光子从第一端口输入，从第二端口输出，保证第一单光子的传输。该光子隔离器100只需设置热原子腔120、能够产生控制光的控制光模块110以及光束控制模块即可，结构相对简单，便于构建，有效的缩减了构建成本。

(2)、第二单光子和第二控制光的传输过程。

参见图3B，光子隔离器100的结构可以参见图3A，图3B中用黑色实线表示第二控制光的传输方向，用黑色虚线表示第二单光子的传输方向，图3B中，控制光模块110输出第二控制光，第二光束控制模块140从控制光模块110接收第二控制光，此外，第二光束控制模块140还可以接收第二单光子，第二光束控制模块140将第二单光子以及第二控制光一同传输至第二端口，使得第二单光子和第二控制光一同从第二端口进入热原子腔120。

热原子腔120内充斥有原子，在热原子腔120内的原子的作用下，第二单光子和第二控制光会发生频率偏移，由于第二单光子与第二控制光在热原子腔120内传输方向相同，使得第二单光子和第二控制光发生的频率偏移的方向相同，频率偏移的值相同。例如，热原子腔120内的原子的分布速率为v，则第二单光子和第二控制光发生的频率偏移值为kv，其中，k为开普勒常量。

热原子腔120内充斥的原子可参见前述说明，此处不再赘述。

以热原子腔120内充斥的原子可以为三能级原子为例，当在三能级原子的作用下，第二单光子和第二控制光发生频率偏移，频率偏移的方向相同，偏移的值相同，发生了频率偏移后的第二单光子和第二控制光不能与三能级原子的能级匹配，也即频率偏移后的第二单光子和的第二控制光具备的能量不再能够使得三能级原子的电子发生能级跃迁。这种情况下，第二单光子以和第二控制光无法实现双光子共振干涉，三能级原子会吸收第二单光子，若第二控制光的能量较弱，三能级原子也会吸收第二控制光，若第二控制光的能量较强，三能级原子可能无法吸收全部第二控制光，导致有部分第二控制光从第一端口输出。第二控制光从第一端口输出后，第一光束控制单元能够吸收从第一端口中输出的第二控制光。

从第二单光子和第二控制光的传输过程中可以看出，本申请实施例提供的光子隔离器100，能够吸收与第二控制光传输方向相同的第二单光子，进一步保证了单光子在光子隔离器100的单向传输。

需要说明的是，热原子腔120内充斥的原子为里德堡原子时，也同样能够使得热原子腔120内的单光子以及控制光发生频率偏移。这种情况下，控制光(如第一控制光或第二控制光)在里德堡原子的特定能带附近可以制造一个失谐的虚拟激发能级，如果单光子与控制光满足双光子共振干涉条件，热原子腔120可以输出该单光子；如果单光子与控制光不满足双光子共振干涉条件，单光子会被吸收，不能从热原子腔120中输出。

下面对第一光束控制模块130以及第二光束控制模块140的结构进行说明。

1、第一光束控制模块130

如图4所示，为第一光束控制模块130的结构，第一光束控制模块130包括第一分束器131、第一透镜132以及光吸收模块133。

第一分束器131能够调整光的传输方向，参见图5A，在第一单光子和第一控制光的传输过程中，第一分束器131在接收到第一单光子后，可以将第一单光子传输至第一透镜132。本申请实施例并不限定第一分束器131的结构，第一分束器131可以由棱镜构成，也可以是由光纤熔接形成，凡是能够改变光传输方向的器件均可以作为第一分束器131。

在第一光束控制模块130中的第一透镜132能够对光进行汇聚，使光可以从第一端口中进入热原子腔120。在如图3A所示的第一单光子和第一控制光的传输过程中，第一透镜132可以将第一单光子传输至第一端口。第一透镜132可以是凸透镜，例如该第一透镜132可以具备较高的数值孔径，以到达较高的聚光能力。

光吸收模块133能够吸收光，参见图5B，在第二单光子和第二控制光的传输过程中，若热原子腔120无法无完全吸收第二控制光，则可以部分第二控制光可以从第一端口输出。

当第一端口输出的光经过第一透镜132到达第一分束器131后，第一分束器131可以从第一端口输出的光中分离出第二控制光，并将第二控制光传输至光吸收模块133。光吸收模块133接收到第二控制光后，吸收第二控制光。

2、第二光束控制模块140

如图6所示，为第二光束控制模块140的结构，第二光束控制模块140包括第二分束器141、以及第二透镜142。

第二分束器141能够调整光的传输方向。在如图7A所示的第一单光子和第一控制光的传输过程中，第二分束器141在接收到第一控制光后，可以将第一控制光传输至第二透镜142。本申请实施例并不限定第二分束器141的结构，第二分束器141可以由棱镜构成，也可以是由光纤熔接形成，凡是能够改变光传输方向的器件均可以作为第二分束器141。

在第二光束控制模块140中的第二透镜142能够对光进行汇聚，使光可以从第二端口中进入热原子腔120。在如图3A所示的第一单光子和第一控制光的传输过程中，第二透镜142可以将第二控制光传输至第二端口。与第一透镜132类似，第二透镜142也可以为凸透镜。

在如图7B所示的第二单光子和第二控制光的传输过程中，第二分束器141在接收到第二控制光以及第二单光子后，第二分束器141可以将第二控制光和第二单光子一同传输至第二透镜142。第二透镜142可以将第二控制光和第二单光子一同传输至第二端口。

如图8所示，为本申请实施例提供的一种量子通信设备，该量子通信设备应用于量子通信网络，该量子通信设备包括如前述实施例所述的光子隔离器100以及量子存储器200，量子存储器可以存储单光子(如第一单光子、第二单光子)。实际应用中，为了避免单光子在传输过程受到其他单光子的干扰，每个传输链路可以设置一个光子隔离器100，以保证单光子在该传输链路上进行单向传输，并且能够隔离其他链路的单光子噪声。量子存储器200存储的单光子可以是光子隔离器输出的，也可以是预先存储在量子存储器的。量子存储器200还可以将存储的单光子传输至从光子隔离器100。

本发明实施例提供的量子通信设备，通过光模块和热原子腔即可实现光子的单向传输，避免其他链路的单光子噪声的影响。并且由于单光子隔离器结构简单，且无需外加磁场，因此降低了成本。

需要说明的是，本申请所提供的实施例仅仅是示意性的。所属领域的技术人员可以清楚的了解到，为了描述的方便和简洁，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本发明实施例、权利要求以及附图中揭示的特征可以独立存在也可以组合存在。在本发明实施例中以硬件形式描述的特征可以通过软件来执行，反之亦然。在此不做限定。