光子芯片片上集成延时调制及量子存储的实现方法与流程

1.本发明涉及的是一种量子态存储领域的技术，具体是一种基于光子动态局域的光子芯片片上集成延时调制及量子存储的实现方法。


背景技术：

2.现有的量子存储的技术中，通常存储的对象是光子数，其主要问题在于：多是针对光子的数目进行存储，但是不能的对量子态进行有效保存，针对量子态进行保存的方法则存在各种缺陷，例如无法在三维空间自由调制、会引入退相干、无法延时调制以及难以集成等等。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种光子芯片片上集成延时调制及量子存储的实现方法，通过光子的动态局域模型，对量子态进行有效保存而不引入退相干，并且可以在三维空间实现延时调制以及量子存储。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种光子芯片片上集成延时调制及量子存储的实现方法，通过设计弯折波导并通过飞秒激光工艺将其制备于光子芯片中，通过动态局域现象使得光子在弯折波导中的演化受到抑制，从而实现量子存储和/或延时调制。
6.所述的设计弯折波导，包括：设置弯折波导的空间坐标、振幅a、周期l、弯折总长度、弯折波导的根数和弯折波导之间的间距，此时有效耦合系数c
eff
＝c0j0(2πωa/l)，其中：c0为相同间距下直波导的耦合系数；j0为第一类贝塞尔函数。当c
eff
＝0时可实现动态局域。
7.所述的飞秒激光工艺是指：根据设计得到的弯折波导的参数，利用sca软件得到工艺文件，通过飞秒激光直写设备在光子芯片中制备。
8.所述的光子芯片的基底材料采用但不限于硼硅酸盐玻璃。
9.所述的量子存储是指：将激光注入和输出的端面进行抛光，将激光注入波导结构，利用光束分析仪观察其输出结果；将输出结果与理论模拟结果进行比较，可以得出存储的准确性。
10.所述的理论模拟结果指利用matlab等程序计算出该结构理论的光强分布。
11.所述的延时调制是指：在量子存储的基础上使得存储的量子态继续进行演化，实现延时调制，具体为：将存储态导入波导阵列，利用光束分析仪观察其输出结果；将输出结果与理论模拟、输出结果与未经存储存直接注入后部分演化阵列的结果进行比较，可以得出结果的准确性。
12.所述的导入，采用但不限于使用vgroove将新一个三维光子芯片与存储态的输出端对接；在设计、直写芯片时直接在弯折阵列后加上其他阵列。
13.所述的结果是指：存储态可以继续进行演化并且保持存储前的量子特性，从而实现延时调制。
技术效果
14.本发明整体解决了现有技术的无法实现片上的量子存储、无法在三维空间自由调制、会引入退相干、难以集成的不足；针对于已有的量子存储技术，本发明利用周期性正弦弯折波导的，实现片上完整量子态波包的存储与延时调控，克服了在存储时光纤长度差异导致的随机相位差，实现了在存储的基础上继续演化的能力，即实现了延时调制的技术。
附图说明
15.图1为动态局域示意图；
16.图2为本发明方法流程图；
17.图3为纯弯折波导的实拍光强分布图；
18.图4为实施例效果示意图；
19.图中：a为直波导的量子行走方差理论值与纯直波导、先直后弯波导、先弯后直波导量子行走的实验值对比；b为纯直波导、先直后弯波导、先弯后直波导量子行走随时间演化的理论值与最终实拍的波导图对比；
20.图5为sca程序所构建的波导结构截面示意图；
21.图6为经过弯折波导前后单光子源的自/互关联结果示意图；
22.图中左边一组为经过弯折波导前，右边一组为经过弯折波导后。
具体实施方式
23.如图1所示，为动态局域现象示意图，即类似电子在周期性电场中运动受到抑制的现象，在量子领域观察到类似量子波包演化受到抑制甚至完全停止的现象，如本实施例中光子在周期性正弦弯折波导中的演化就受到了抑制，进而能够进行如下量子存储和延时调制。
24.如图2所示，为本实施例涉及基于一种光子动态局域的光子芯片片上集成延时调制及完整量子态波包存储的实现方法，包括以下步骤：
25.步骤1)根据所需条件确定弯折波导的参数，具体包括：弯折波导的空间坐标、振幅0.03mm、周期0.6cm、弯折总长度1.2cm、弯折波导的根数37根和弯折波导之间的间距0.013mm。
26.步骤2)将弯折波导结构利用飞秒激光直写技术实现在芯片中，具体包括：
27.2.1)根据弯折波导的结构创建飞秒激光直写所需的程序，部分结构如图5所示。
28.2.2)将程序中的波导用飞秒激光直写技术写入光子芯片中。
29.步骤3)测量所制备的光子芯片，具体步骤包括：
30.3.1)将激光注入和输出的端面进行抛光。
31.3.2)将波长为810nm的激光注入波导结构，利用光束分析仪观察其输出结果，图3为纯弯折波导分别从中间和最边上的波导注入的实拍图。
32.经过具体实际实验，在高精度三维平移台、多维可调的反射镜、凸透镜等组成的光路下，以810nm激光的h光运行上述装置，将输出结果与理论模拟结果进行比较，可以得出存储的准确性，如图3和图4所示(图3图4为图5中三个注入口中，中间注入口的情况)。
33.本实施例通过上述方法制备了四种不同的波导结构，分别为纯弯折波导1.2cm、纯
直波导2cm、先弯折波导1.2cm后直波导2cm和先直波导2cm后弯折波导1.2cm，证明了本发明对不同的波包结构都有很好的存储能力以及在存储后将波包继续提取并演化的能力。
34.如图4a所示，本实施例通过用方差来衡量存储能力，直线部分是直波导(光子在其中进行量子行走)中方差随着演化长度的关系(理论值)，在本实施例中首先纯值波导的结果与理论值相近，在此基础上是对完整的量子态进行存储，存储量子态的方差与未存储时基本一致，证明了良好的存储能力，结合图3对另一种波包的存储，证明了对不同波包结构均有很好的存储能力；先对量子态进行存储，令存储的量子态在直波导中进行演化，演化结果的方差与未存储直接演化的方差基本相同，证明了波包继续提取并继续演化的能量(注：三个方差均为20左右)。
35.通过另一个参数证明这一点，可以反应光子波包扩散速度的指标c值，从直波导(其他条件不变，只有振幅为0mm)的0.15降至周期性正弦弯折波导的0.02(理想存储条件下为0，如果更精确的计算参数可以进一步趋向于零)，证明了存储能力。将存储后的量子态导入直波导，发现c值恢复至0.15，说明保持了原来的继续演化能力，即延时调制功能；类似的让单光子先通过直波导再存储，c值依旧能下降至0.02。
36.本实施例将光源从激光换位单光子源，光路保持不变，单光子源的两个光子从同一阵列的两个口注入(图5中同一阵列的中间和某一测)。在弯折波导中，反映单光子源性质的指标自关联g
22
为2.22(理想单光子源为2)，保持了单光子源的量子性(图6)；对cauchy
‑
schwarz不等式的破坏程度达到124个标准差(不满足cauchy
‑
schwarz不等式即为量子光源特性)，同样证明保持了单光子源的量子性。
37.与现有技术相比，本发明能够在片上实现完整量子态波包的存储与延时调制同时不引入退相干。
38.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。