一种实用化多功能量子存储器的制作方法

1.本发明实施例涉及量子存储技术领域，尤其涉及一种实用化多功能量子存储器。


背景技术：

2.量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统，是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件。量子存储领域追求的是可实用化，而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是：高存储效率、低噪音、长寿命和室温条件下运行。然而高效率和长寿命是目前实现量子存储实用化的两个最为关键的参数，量子态的制造和量子操作往往是概率性的，这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种实用化多功能量子存储器，采用双腔结构真空系统实现超高真空下制备大光学厚度冷原子团，实现高效率的单光子存储，实现长寿命的单光子存储，基于存储过程实现对单光子的相位调制。
4.第一方面，本发明实施例提供一种实用化多功能量子存储器，包括双腔结构真空系统和存储系统；
5.所述双腔结构真空系统用于释放铷原子，并基于二维磁光阱方法将铷原子囚禁为长条形冷原子团；
6.所述存储系统，用于基于偏振梯度冷却方法将长条形冷原子团进行冷却，并采用自旋波冻结方法，利用双光子拉曼跃迁克服原子随机运动引起的退相干过程。
7.作为优选的，所述双腔结构真空系统包括第一真空腔和第二真空腔；
8.所述第一真空腔为高真空真空腔，所述第二真空腔为超高真空真空腔；所述第一真空腔和所述第二真空腔通过能承受压强差的管道相连通；
9.所述第一真空腔用于释放铷原子团并对所述铷原子团进行预冷却，将所述铷原子团送至所述第二真空腔；
10.所述第二真空腔用于囚禁所述铷原子团以形成长条形冷原子团。
11.作为优选的，所述双腔结构真空系统还包括第一四级磁阱线圈、第二四级磁阱线圈和亥姆霍兹线圈；
12.所述第一四级磁阱线圈设于所述第一真空腔外部，所述第二四级磁阱线圈设于所述第二真空腔外部；所述第一四级磁阱线圈和所述第二四级磁阱线圈的长轴为铷原子团长轴方向，所述第一四级磁阱线圈和所述第二四级磁阱线圈中每对线圈通有相反的电流，以产生梯度磁场；
13.第二四级磁阱线圈外嵌套三对所述亥姆霍兹线圈。
14.作为优选的，所述第一真空腔采用二个维度的磁光阱mot光进行原子减速，其中，所述mot光包括水平方向对射的8路mot光和竖直方向对射的8路mot光；所述第一真空腔中
冷却光和回泵光的光路重合，以使所述第一真空腔内的原子汇聚在中心线上，形成光学黏团；
15.所述第二真空腔采用6束冷却光和2束回泵光；6束冷却光分为三对入射进入第二真空腔内并交汇于腔体中心，其中，水平方向4对冷却光对射，夹角为130
°
；回泵光包括水平方向和竖直方向各一路入射进所述第二真空腔。
16.作为优选的，所述存储系统包括信号光、控制光、四分之一波片、第一单模光纤、第二单模光纤、第一光纤耦合头、第二光纤耦合头和声光调制器；
17.所述第一单模光纤连接所述第一光纤耦合头，所述第二单模光纤连接所述第二光纤耦合头；信号光从第一单模光纤出来经过第一光纤耦合头准直，所述信号光经四分之一波片后入射至所述长条形冷原子团；所述控制光经所述声光调制器和四分之一波片后入射至所述长条形冷原子团；第二光纤耦合头用于读取经过所述长条形冷原子团中的光子并收集进第二单模光纤。
18.作为优选的，所述四分之一波片用于将所述信号光、所述控制光转换为偏振一致的圆偏振光；所述声光调制器用于对控制光进行调制。
19.作为优选的，所述信号光为基于自发四波混频产生的纠缠光子对中的795nm的反斯托克斯光子；所述控制光为795nm的相干光。
20.本发明实施例提供的一种实用化多功能量子存储器，采用双腔结构真空系统实现超高真空下制备大光学厚度冷原子团，制备高光学厚度的原子团同时保证超高的真空背景，大大减弱单光子探测噪声；采用偏振梯度冷却技术，减小存储信号光和控制光的夹角，采用自旋波冻结技术，将存储寿命提高至ms量级，实现高效率的单光子存储，实现长寿命的单光子存储，可以实现最大效率超过90％，存储寿命达到ms量级的单光子存储，满足量子存储器实用化最为关键的两个条件；基于存储过程通过直接对控制光的相位进行调制实现对单光子的相位调制，可以实现最大效率超过90％，存储寿命达到ms量级的单光子存储，满足量子存储器实用化最为关键的两个条件。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为根据本发明实施例的双腔结构的真空系统图；
23.图2为根据本发明实施例的mot光路示意图；
24.图3为根据本发明实施例的基于冷原子系综单光子存储示意图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本技术实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
27.本技术实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
29.图1为本发明实施例提供本发明实施例提供一种实用化多功能量子存储器，包括双腔结构真空系统和存储系统；
30.所述双腔结构真空系统用于释放铷原子，并基于二维磁光阱方法将铷原子囚禁为长条形冷原子团；利用二维磁光阱(mot)技术囚禁铷87原子所获到的长条形冷原子团，光学厚度越大，光和原子系综的耦合强度越大；
31.所述存储系统，用于基于偏振梯度冷却方法将长条形冷原子团进行冷却，并采用自旋波冻结方法，利用双光子拉曼跃迁克服原子随机运动引起的退相干过程。
32.电磁诱导透明(electromagnetic induced transparency，eit)存储是基于冷原子eit原理实现的存储，在控制光的作用下,在透过窗口附近原子的折射率会发生迅速的变化，这样就会导致信号光在原子团内部传播速度变慢，称为慢光效应，耦合光越弱，信号光在原子团内部的传播速度就会越慢，如果将控制光绝热降为0，就会让信号光停在原子内部，即存储起来。存储一段时间后,重新打开控制光便可将存储的信号光读取出来，eit存储在存储效率，存储保真度，存储寿命等指标上都有非常好的水平，并展现其实用化的潜力。
33.因此，本实施例中，采用双腔结构真空系统实现超高真空下制备大光学厚度冷原子团，实现高效率的单光子存储，实现长寿命的单光子存储，基于存储过程实现对单光子的相位调制。
34.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述双腔结构真空系统包括第一真空腔1(即图1中真空腔1)和第二真空腔2(即图1中真空腔2)；
35.所述第一真空腔1为高真空真空腔，所述第二真空腔2为超高真空真空腔；所述第一真空腔1和所述第二真空腔2通过能承受压强差的管道相连通；
36.所述第一真空腔1用于释放铷原子团并对所述铷原子团进行预冷却，将所述铷原子团送至所述第二真空腔2；第一真空腔1里边释放大量铷原子并将其预冷却；推送光将第一真空腔1中的原子送至第二真空腔2并将其囚禁为长条形冷原子团。
37.所述第二真空腔2用于囚禁所述铷原子团以形成长条形冷原子团。
38.所述双腔结构真空系统还包括第一四级磁阱线圈3、第二四级磁阱线圈4和亥姆霍兹线圈5；
39.所述第一四级磁阱线圈3设于所述第一真空腔1外部，所述第二四级磁阱线圈4设于所述第二真空腔2外部；所述第一四级磁阱线圈3和所述第二四级磁阱线圈4的长轴为铷原子团长轴方向，所述第一四级磁阱线圈3和所述第二四级磁阱线圈4中每对线圈通有相反的电流，以产生梯度磁场；
40.第二四级磁阱线圈4外嵌套三对所述亥姆霍兹线圈5。在第二真空腔2的第二四级磁阱线圈4外嵌套三对亥姆霍兹线圈5补偿环境磁场，包括地磁场和一些其他设备产生的静磁场，磁场强度的中心为零，由此确保原子可以处于非常好的磁场环境，减小由于磁场导致的退相干效应。
41.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述第一真空腔1采用二个维度的磁光阱mot光进行原子减速，其中，所述mot光包括水平方向对射的8路mot光(如图中光路a～h)和竖直方向对射的8路mot光；所述第一真空腔1中冷却光和回泵光的光路重合，以使所述第一真空腔1内的原子汇聚在中心线上，形成光学黏团；
42.所述第二真空腔2采用6束冷却光和2束回泵光；6束冷却光分为三对入射进入第二真空腔2内并交汇于腔体中心，其中，水平方向4对冷却光对射，夹角为130
°
，即a和b夹角为130
°
。同样的在每路光进腔前位置均放置四分之一玻片，即图2中光路a-d与第二真空腔2之间的装置，制备圆偏振的光。回泵光为两路，其中一路竖直方向和冷却光重合，另一路在水平方向垂直于z方向。两个腔外部的四级磁阱线圈提供mot所需梯度磁场，第一真空腔1不能囚禁原子，原子在腔中心形成长条形分布的光学黏团，回泵光包括水平方向和竖直方向各一路入射进所述第二真空腔2。
43.用一束推送光将第一真空腔1内的原子送至第二真空腔2，原子在第二真空腔2成功俘获并囚禁。所述两个真空腔外部均装有四级磁阱线圈，线圈长轴为原子团长轴方向(z方向)，每对线圈通有相反的电流，用于产生梯度磁场。第一真空腔1磁场线圈发热较轻，采用空间自由散热。第二真空腔2磁场线圈通电流大发热严重，采用水冷散热。为了在第二真空腔2获得好的磁场环境，第二真空腔2梯度磁场外嵌套三对亥姆霍兹线圈5补偿环境磁场，包括地磁场和一些其他设备产生的静磁场，磁场强度的中心为零，由此确保原子可以处于非常好的磁场环境，减小由于磁场导致的退相干效应。
44.为了提高原子团的光学厚度，第一是采用暗磁光阱，在两路回泵光光路上放置一根暗线，在原子中心位置投影一个空间上的暗区，原子冷却过程中跑进这个暗区后就会被冷却光慢慢转移到暗态，从而增加原子团中心密度，暗线利用透镜通过4f成像的方式投影到原子团中心位置，暗线放置在可旋转的安装架上并配上位移台，可以精密调节，方便优化；接着采用初态制备及塞曼磁子能级制备技术进一步提高光学厚度，在mot制备结束，实验窗口之前首先用一束光将原子全部制备到实验所需能级上，随后在用另一束光将此能级上的原子制备到跃迁偶极矩大的磁子能级上，原子团的光学厚度会进一步提高；最后，采用压缩磁光阱技术，将第二真空腔2的梯度磁场在mot制备的后期做一个线性压缩，进一步提高原子团密度，通过以上三个技术可将原子团光学厚度大大提高。
45.采用空间暗线磁光阱技术减弱原子团内部原子由于自发辐射光子形成相互排斥的作用，暗线将原子转移到暗态使其不在参与冷却，挺高原子密度；采用初态制备和塞曼磁子能级制备技术，初态制备将原子制备到实验所需能级，再利用塞曼磁子能级制备，将原子制备到跃迁偶极矩大的磁子能级上，提高原子于光的耦合强度；采用压缩磁光阱技术，在
mot制备阶段后期将梯度磁场做一个线性压缩，可进一步增大原子团密度。
46.实现大光学厚度mot后，将单光子送至mot进行存储，优化mot参数，实现最大超过90％的存储效率。
47.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述存储系统包括信号光8、控制光12、四分之一波片9、第一单模光纤6、第二单模光纤11、第一光纤耦合头7、第二光纤耦合头10和声光调制器13；
48.所述第一单模光纤6连接所述第一光纤耦合头7，所述第二单模光纤11连接所述第二光纤耦合头10；信号光8从第一单模光纤6出来经过第一光纤耦合头7准直，所述信号光8经四分之一波片9后入射至所述长条形冷原子团；所述控制光12经所述声光调制器13和四分之一波片9后入射至所述长条形冷原子团；第二光纤耦合头10用于读取经过所述长条形冷原子团中的光子并收集进第二单模光纤11。
49.所述四分之一波片9用于将所述信号光6、所述控制光12转换为偏振一致的圆偏振光；所述声光调制器13用于对控制光12进行调制。
50.所述信号光6为基于自发四波混频产生的纠缠光子对中的795nm的反斯托克斯光子；所述控制光12为795nm的相干光。
51.信号光8从第一单模光纤6出来经过第一光纤耦合头7准直，到达存储原子团内部后，没有跑出去之前，将控制光12关闭。控制光12关闭以后，经过设定的存储时间后再次打开，信号光8被读取出来，读取的光子用第二光纤耦合头10收集进第二单模光纤11，四分之一波片9将信号光6和控制光12变成偏振一致的圆偏振光，声光调制器10用于对控制光进行调制。优化各实验参数实现超过90％的存储效率。
52.本发明实施例采用自旋波冻结技术提高存储寿命，其中能级选用铷87原子d1线跃迁，激发态|e》为5p
1/2
，f＝2，mf＝ 2，基态|g》态为5s
1/2
，f＝1，mf＝ 1，能级，两个辅助基态|s》态和|s
′
》态为5s
1/2
，f＝2，mf＝ 2，和5s
1/2
，f＝2，mf＝-2，，信号光耦合态|g》和态|e》，控制光耦合|e》态和|s》态，两束拉曼光分别耦合|g》态和|s》态、|s
′
》态，存储信号光作用后在产生自旋波态|ψ》
gs
。随后立即作用拉曼π脉冲，即控制光关闭后拉曼光打开，拉曼光的作用将产生的自旋波态翻转至|ψ》
gs
′
，精确调节实验布局，使新产生的自旋波态的波矢为0则由原子随机运动导致的自旋波退相干被完全冻结住。在读出之前，为了保证存储的自旋波态在相位匹配方向上被高效率读出，作用另外一个拉曼π脉冲，将自旋波态传输回|s》态，且恢复之前的波矢最后打开控制光将存储的自旋波态读出为读出光子。由于存储过程中，自旋波的相位被冻结住，因此，该方案的存储将不受存储角度的限制，可将存储寿命提高至ms量级。
53.本发明中对单光子进行相位调制。通过两个信号源产生不同相位的射频信号，作为声光调制器的驱动信号。两台信号源产生的正弦信号通过一个两通道输入的开关连接，共同输入到存储控制光的声光调制器9的驱动上，用时序控制其打开和关断，上述两通道输入开关的响应速度10ns，可以快速切换信道。
54.在量子存储过程的读取阶段，对控制光进行相位调制，将控制光的相位变化映射到信号光子上，验证存储过程对信号光子的相位调制效果，可将读取的光子跟另一个未作相位调制的光子通过一个分光棱镜合束进行hom干涉，在hom干涉后用单光子计数模块进行
双光子符合计数，即可得到线性相位调制双光子干涉结果。
55.当动态改变一个光子的相位时，分光棱镜两输出端口之间的光子符合变得与相位相关。符合率为：
56.p2＝|ψ1(τ)|2|ψ1(τ)|2sin(πδντ)
57.δν为相位差导致的频率差。光子全高宽为540ns，要在540ns范围内做一个4π的线性相位调制时，相位变化引起的频率差为3.7mhz，故只需在存储过程的读取时将控制光的频率增加3.7mhz，即可实现存储过程对存入的信号光子做一个4π的线性相位调制。
58.综上所述，本发明实施例提供的一种实用化多功能量子存储器，采用双腔结构真空系统实现超高真空下制备大光学厚度冷原子团，制备高光学厚度的原子团同时保证超高的真空背景，大大减弱单光子探测噪声；采用偏振梯度冷却技术，减小存储信号光和控制光的夹角，采用自旋波冻结技术，将存储寿命提高至ms量级，实现高效率的单光子存储，实现长寿命的单光子存储，可以实现最大效率超过90％，存储寿命达到ms量级的单光子存储，满足量子存储器实用化最为关键的两个条件；基于存储过程通过直接对控制光的相位进行调制实现对单光子的相位调制，可以实现最大效率超过90％，存储寿命达到ms量级的单光子存储，满足量子存储器实用化最为关键的两个条件。
59.本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
60.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。