固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置

1.本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置。


背景技术：

2.光子在自由空间和光纤中传输时均会产生损耗，这导致光子信息的长程传输很难实现。想要实现数百公里以上的量子通信，可以采用量子中继方案。实现量子中继的一种可能方案是 duan-lukin-cirac-zoller (dlcz) 方案，它主要包含两个核心步骤：第一，让物质系统产生具有量子关联的光子对，该光子对与物质系统具有关联；第二，通过对若干物质系统的关联光子对进行一系列线性光学操作和测量，可以实现子物质系统间的远程纠缠，从而实现量子中继。可见，产生具有量子时间关联的光子对是实现dlcz的基础步骤。
3.稀土离子掺杂晶体具有很长的相干时间和很宽的吸收带宽，是有潜力用于实现长寿命时间多模dlcz方案的一种物理系统。但是，稀土离子掺杂晶体的跃迁偶极矩强度较弱且非均匀展宽较大，导致直接应用原始的dlcz方案难以产生高效的量子关联光子对。
4.近来，有研究报道，将量子存储的原子频率梳(afc)方案与dlcz方案相结合，提出了afc-dlcz方案，成功用稀土离子掺杂晶体中产生了时间多模的量子关联光子对。但对于eu等跃迁偶极矩强度很弱的掺杂离子，afc-dlcz产生的量子关联光子对的效率和量子关联性仍较低，难以满足应用需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的实施例提出一种固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
6.作为本发明的第一方面，提供了一种固态关联光子对产生方法，包括：将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级；第一能级、第二能级、第三能级和第四能级为稀土离子的四个超精细能级，第一能级和第二能级的电子组态相同，第三能级和第四能级的电子组态相同，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第三能级的能量，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第四能级的能量，且第一能级到第三能级的跃迁波长在光学波段；对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以使光谱烧孔吸收带中的稀土离子产生斯托克斯光子，写入脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率；以及产生斯托克斯光子后，对光谱烧孔吸收带依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以使光谱烧孔吸收带的稀土离子产生反斯托克斯光子，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，其中，第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频
率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。
7.进一步地，固态关联光子对产生方法，还包括：在写入脉冲光与第一复相π脉冲光之间，在第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光之间，以及在第二复相π脉冲光与读取π脉冲光之间，引入射频脉冲光执行动力学解耦合，以延长反斯托克斯光子的寿命。
8.进一步地，光谱烧孔吸收带包括宽度为1mhz量级的吸收线，以及位于吸收线两端的宽度为10 mhz量级的透明带，吸收线的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率。
9.进一步地，稀土离子掺杂晶体包括稀土离子和宿主晶体，且稀土离子掺杂晶体中的稀土离子处于宿主晶体的非中心对称位置。
10.进一步地，上述固态关联光子对产生方法，还包括：对稀土离子掺杂晶体施加磁场，以阻止光谱烧孔吸收带的稀土离子从第三能级到第二能级跃迁，从而降低噪声。
11.进一步地，写入脉冲光与读取π脉冲光以相反方向共线射入稀土离子掺杂晶体，第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光以相同方向共线射入稀土离子掺杂晶体，并且在稀土离子掺杂晶体内，预泵浦脉冲光的传播路径、写入脉冲光的传播路径和第一复相π脉冲光的传播路径传播路径部分重合；斯托克斯光子的探测方向与反斯托克斯光子的探测方向反向共线。
12.进一步地，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，包括：斯托克斯光子与反斯托克斯光子的交叉二阶关联度的平方大于斯托克斯光子与反斯托克斯光子的自二阶关联度的乘积。
13.进一步地，写入脉冲光的带宽小于或者等于吸收线的宽度。
14.进一步地，在得到斯托克光子以及反斯托克斯光子之后，固态关联光子对产生方法还包括：对斯托克光子以及反斯托克斯光子进行滤光。
15.作为本发明的第二个方面，还提供了一种固态关联光子对产生装置，用于实现上述的固态关联光子对产生方法，包括：激光单元，适用于产生预泵浦脉冲光、写入脉冲光、第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光；光子对产生单元，包括稀土离子掺杂晶体，稀土离子掺杂晶体适用于在预泵浦脉冲光的作用下进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带，光谱烧孔吸收带中的稀土离子在写入脉冲光的作用下产生斯托克斯光子，光谱烧孔吸收带中的稀土离子在第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光的作用下产生反斯托克斯光子；其中，写入脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率；第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。
16.晶体中的稀土离子的跃迁存在非均匀展宽，使得稀土离子在发射斯托克斯光子后，其微观电偶极矩的相位以不同速率演化。在对稀土离子依次施加第一复相π脉冲光、第
二复相π脉冲光和读取π脉冲光后，在某一时刻（该时刻由斯托克斯光子的出射时刻和第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光的施加时刻共同决定）各稀土离子的相位又演化到同相，从而形成了一个宏观的电偶极矩，该宏观电偶极矩的偶极辐射即反斯托克斯光子。因此，本发明实施例提供的固态关联光子对产生方法能够使稀土离子产生高效的量子关联光子对，且产生的关联光子对的关联性较高。
附图说明
17.图1示出了根据本发明实施例提供的固态关联光子对产生方法的流程图；图2示出了根据本发明实施例提供的固态关联光子对产生装置的方框图；图3示出了根据本发明另一实施例提供的固态关联光子对产生装置的方框图；图4示出了根据本发明另一实施例提供的稀土离子掺杂晶体的能级结构示意图；图5示出了根据本发明实施例提供的各脉冲光的时间序列示意图。
18.附图标记说明1-激光单元；10-激光器；11-第一声光调制器；12-第二声光调制器；13-第三声光调制器；2-光子对产生单元；3-滤波单元；311-第一单模光纤；312-第二单模光纤；321-第一滤波片；322-第二滤波片；331-第一声光调制器开关；332-第二声光调制器开关；341-第一滤波晶体；342-第二滤波晶体。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
20.图1示出了根据本发明实施例提供的固态关联光子对产生方法的流程图。
21.如图1所示，上述固态关联光子对产生方法包括步骤s1-步骤s3。
22.步骤s1：将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级；第一能级、第二能级、第三能级和第四能级为稀土离子的四个超精细能级，第一能级和第二能级的电子组态相同，第三能级和第四能级的电子组态相同，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第三能级的能量，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第四能级的能量，且第一能级到第三能级的跃迁波长在光学波段。
23.步骤s2：对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以使光谱烧孔吸收带中的稀土离子产生斯托克斯光子，写入脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率。
24.步骤s3：产生斯托克斯光子后，对光谱烧孔依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以使光谱烧孔吸收带的稀土离子产生反斯托克斯光子，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，其中，第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频
率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。
25.根据本发明的实施例，稀土离子掺杂晶体中的稀土离子的跃迁存在非均匀展宽，使得光谱烧孔吸收带的稀土离子在发射斯托克斯光子后，其微观电偶极矩的相位以不同速率演化。在对光谱烧孔吸收带的稀土离子依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光（其中，第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率）后，在某一时刻光谱烧孔吸收带的各稀土离子的相位又演化到同相，从而形成了一个宏观的电偶极矩，该宏观电偶极矩的偶极辐射即反斯托克斯光子。因此，本发明实施例提供的固态关联光子对产生方法能够使稀土离子产生高效的量子关联光子对，且产生的关联光子对的关联性较高。
26.根据本发明的实施例，写入脉冲光的光学脉冲面积小于0.2，以抑制噪声。
27.根据本发明的实施例，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，包括：斯托克斯光子与反斯托克斯光子的交叉二阶关联度的平方大于斯托克斯光子与反斯托克斯光子的自二阶关联度的乘积。
28.根据本发明的实施例，上述固态关联光子对产生方法，还包括：在写入脉冲光与第一复相π脉冲光之间，在第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光之间，以及在第二复相π脉冲光与读取π脉冲光之间，引入射频脉冲光执行动力学解耦合，以延长反斯托克斯光子的寿命。
29.根据本发明的实施例，在得到斯托克光子以及反斯托克斯光子之后，固态关联光子对产生方法还包括：对斯托克光子以及反斯托克斯光子进行滤光。
30.根据本发明的实施例，光谱烧孔吸收带包括宽度为1 mhz量级的吸收线，以及位于吸收线两端的宽度为10 mhz量级的透明带，吸收线的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率。吸收线内的稀土离子将在后续的脉冲光（第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光、以及读取π脉冲光）的作用下产生关联光子对，透明带将吸收线内的稀土离子与吸收带外稀土离子掺杂晶体中的其他离子隔离开来，使得后续的脉冲光只作用于吸收线中的稀土离子，避免吸收带外的稀土离子的发光，从而降低噪声。
31.根据本发明的实施例，写入脉冲光与读取π脉冲光以相反方向共线射入稀土离子掺杂晶体，第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光以相同方向共线射入稀土离子掺杂晶体，并且在稀土离子掺杂晶体内，预泵浦脉冲光的传播路径、写入脉冲光的传播路径和第一复相π脉冲光的传播路径部分重合，以满足反斯托克斯光子出射所需的空间相位匹配条件使得反斯托克斯光子可以有效出射，并排除非预期的辐射，减少噪声。
32.斯托克斯光子的探测方向与反斯托克斯光子的探测方向反向共线。
33.根据本发明的实施例在对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光之前，固态关联光子对产生方法还包括：对稀土离子掺杂晶体施加磁场，以阻止光谱烧孔吸收带的稀土离子从第三能级到第二能级跃迁，以减少噪声的产生。
34.根据本发明的实施例，稀土离子掺杂晶体包括稀土离子和宿主晶体，且稀土离子掺杂晶体中的稀土离子处于宿主晶体的非中心对称位置。
35.根据本发明的实施例，稀土离子可以选自pr，eu，yb，或er，宿主晶体可以选自yso晶体或yvo晶体。
36.根据本发明的实施例，写入脉冲光的带宽小于或者等于吸收线的宽度，以使吸收线中的稀土离子可以有效地吸收写入脉冲光。
37.图2示出了根据本发明实施例提供的固态关联光子对产生装置的方框图。
38.图3示出了根据本发明另一实施例提供的固态关联光子对产生装置的方框图。如图2-图3所示，该固态关联光子对产生装置包括：激光单元1、光子对产生单元2。
39.激光单元1适用于产生泵浦光l0，该泵浦光包括预泵浦脉冲光l110、写入脉冲光l101、第一复相π脉冲光l111、第二复相π脉冲光l112和读取π脉冲光l113。
40.光子对产生单元2包括稀土离子掺杂晶体，稀土离子掺杂晶体适用于在预泵浦脉冲光l110的作用下进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带，光谱烧孔吸收带的稀土离子在写入脉冲光l101的作用下产生斯托克斯光子l31，光谱烧孔吸收带的稀土离子在第一复相π脉冲光l111、第二复相π脉冲光l112和读取π脉冲光l113的作用下产生反斯托克斯光子l32。光谱烧孔吸收带可以包括一个1 mhz宽度的吸收线；在吸收线两侧是总宽度为10 mhz的透明带，使吸收线孤立于其他吸收带，吸收线的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级和第四能级跃迁的共振频率。
41.其中，斯托克斯光子l31和反斯托克斯光子l32组成关联光子对l3。写入脉冲光l101的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率；第一复相π脉冲光l111的中心频率和第二复相π脉冲光l112的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频率，读取π脉冲光l113中心的频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。
42.根据本发明的实施例，固态关联光子对产生装置还包括滤波单元3，适用于在泵浦光l0的作用下，对关联光子对l3进行滤波。
43.如图3所示，激光单元1包括：激光器10、第一声光调制器11、第二声光调制器12、第三声光调制器13。
44.激光器10为580nm的激光器，用于产生线宽100khz以下的预泵浦激光l0。
45.第一声光调制器11可以为中心频率为200mhz的声光调制器，适用于调制泵浦光产生写入脉冲光，并将写入脉冲光输出给光子对产生单元2。
46.第二声光调制器12为200mhz中心频率的声光调制器，用于调制激光l0产生强泵浦脉冲光l11，（强泵浦脉冲光l11包括预泵浦脉冲光l110，第一复相π脉冲光l111、第二复相π脉冲光l112和读取π脉冲光l113）并将强泵浦脉冲光l11输出给光子对产生单元2；其中，预泵浦脉冲光l110用于对光子对产生单元2进行光谱烧孔，制备光谱烧孔吸收带a1，以吸收写入脉冲光l101。
47.第三声光调制器13为中心频率为200mhz的声光调制器，其在目标频率附近以1mhz的步长进行扫频，用于调制激光l0产生滤波单元3所需的泵浦光l2，并输出给滤波单元3，以使滤波单元3可对关联光子对l3进行滤波。
48.写入脉冲光l101是谱宽为2mhz、功率在10uw量级的弱光，用于使光子对产生单元2
受激产生斯托克斯光子l31，在本实施例中，探测到斯托克斯光子l31的概率设置为0.2%。
49.关联光子对l3的关联性体现在，斯托克斯光子l31与反斯托克斯光子l32的交叉二阶关联度的平方大于斯托克斯光子l31与反斯托克斯光子l32的自二阶关联度的乘积。
50.光子对产生单元2，为浓度0.01%的
151
eu
3
掺杂的yso晶体。
51.图4示出了根据本发明另一实施例提供的稀土离子掺杂晶体的能级结构示意图。
52.如图4所示为
151
eu
3
:yso晶体中的
151
eu
3
离子在强磁场下的部分能级结构，由低到高至少包括第一能级（7f0，3/2超精细能级）、第二能级（7f0，1/2超精细能级）、第三能级（7d0，3/2超精细能级）、第四能级（7d0，5/2超精细能级）。写入脉冲光l101的频率等于
151
eu
3
离子从第一能级和第四能级跃迁的共振频率；第一复相π脉冲光l111与第二复相π脉冲光l112的中心频率等于
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eu
3
离子从第一能级和第三能级跃迁的共振频率；读取π脉冲光l113的中心频率等于
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eu
3
离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率；斯托克斯光子l31的中心频率等于
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eu
3
离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率；反斯托克斯光子l32的中心频率等于
151
eu
3
离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率。
53.对稀土离子掺杂晶体施加适当的强磁场，以阻止光谱烧孔吸收带的稀土离子从第三能级到第二能级跃迁。
54.继续参考图3，滤波单元3包括：第一单模光纤311及第二单模光纤312、第一滤波片321及第二滤波片322、第一声光调制器开关331及第二声光调制器开关332、第一滤波晶体341及第二滤波晶体342；其中，第一单模光纤311及第二单模光纤312可以选取600nm的单模光纤，适用于接收由光子对产生单元2输出的关联光子对，并滤除关联光子对l3的噪声。
55.第一单模光纤311及第二单模光纤312为600nm的单模光纤，用于接收由光子对产生单元2输出的关联光子对l3，并滤除与关联光子对l3具有不同空间模式的噪声。具体而言，第一单模光纤311适用于滤除与反斯托克斯光子l32具有不同空间模式的噪声，第二单模光纤312适用于滤除与斯托克斯光子l31具有不同空间模式的噪声。
56.第一滤波片321及第二滤波片322为1nm带宽、透过率大于99%的干涉滤波片，用于滤除波长与关联光子对的波长相差1nm及以上的噪声。具体而言，第一滤波片321适用于滤除波长与反斯托克斯光子l32相差1nm及以上的噪声；第二滤波片322适用于滤除波长与反斯托克斯光子l31相差1nm及以上的噪声。
57.第一声光调制器开关331及第二声光调制器开关332为开关速度为15ns，消光比大于10000：1的高速调制晶体，用于滤除时间模式在关联光子对l31和l32各自探测时间窗口之外的噪声。具体而言，第一声光调制器开关331用于滤除时间模式在反斯托克斯光子l32探测时间窗口之外的噪声，第二声光调制器开关332用于滤除时间模式在斯托克斯光子l31探测时间窗口之外的噪声。
58.第一滤波晶体341及第二滤波晶体342为浓度0.1%，厚度30mm的
151
eu
3
掺杂的yso晶体，用于在激光单元1产生的泵浦光l2的光谱烧孔的作用下，在关联光子对l31和l32各自频率附近产生一个1mhz线宽的透明窗口，窗口背景吸收深度大于6，可滤除频率与l31及l32相差频率值1mhz及以上的噪声。具体而言，第一滤波晶体341在反斯托克斯光子l32的频率附近产生一个1mhz线宽的透明窗口。第一滤波晶体341产生的透明窗口的背景吸收深度大于6，用于滤除频率与反斯托克斯光子l32相差频率1mhz及以上的噪声。第二滤波晶体342在斯托克斯光子l31的频率附近产生一个1mhz线宽的透明窗口。第二滤波晶体342产生的透明窗
口的背景吸收深度大于6，用于滤除频率与斯托克斯光子l31频率相差1mhz及以上的噪声。
59.根据本发明的实施例，光子对产生单元2、第一滤波晶体341及第二滤波晶体342均放置在低温腔中工作，低温腔内的工作温度为3.0k。
60.参见图2和图3，为满足相位匹配，泵浦光路和信号光路具有一定的空间配置：泵浦光路p1包括写入脉冲光l101、预泵浦脉冲光l110、第一复相π脉冲光l111、第二复相π脉冲光l112和读取π脉冲光l113的光路。
61.写入脉冲光l101与读取脉冲光l113以相反方向共线射入稀土离子掺杂晶体，预泵浦脉冲光l110、读取π脉冲光l113、第一复相π脉冲光l111与第二复相π脉冲光l112以相同方向共线射入稀土离子掺杂晶体。
62.信号光路p3包括关联光子对l3的光路。关联光子对l3中的斯托克斯光子l31的出射方向与反斯托克斯光子l32的出射方向反向共线，且斯托克斯光子l31的出射方向与写入脉冲光l101的在稀土离子掺杂晶体内的传播路径反向不共线，泵浦光路p1与信号光路p3在稀土离子掺杂晶体内的传播路径的夹角为3
°
。
63.图5示出了根据本发明实施例提供的各脉冲光的时间序列示意图。
64.如图5所示，在射入预泵浦脉冲光l110，完成光谱烧孔的吸收带制备之后，依次射入写入脉冲光l101、第一复相π脉冲光l111、第二复相π脉冲光l112和读取π脉冲光l113，以实现具有量子关联的关联光子对l31及l32的产生。在写入脉冲光l101与第一复相π脉冲光l111之间，以及第二复相π脉冲光l112与读取π脉冲光l113之间，插入与基态自旋跃迁共振的射频脉冲光执行动力学解耦d1及d2，延长反斯托克斯光子l32的存储时间。射频脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的的稀土离子的第一能级到第二能级跃迁的共振频率。执行动力学解耦的射频脉冲光的脉冲序列选择为xy4型脉冲，脉冲峰值功率300w，脉宽约20μs，脉冲间隔设置为250μs，总平均存储时间为2 ms。
65.以射入写入脉冲光l101的时刻作为时间零点，斯托克斯光子l31的探测时间窗口为t1，反斯托克斯光子l32的探测时间窗口为t2，探测时间窗口t1及t2的长度与第一复相π脉冲光l111和第二复相π脉冲光l222的时间间隔相同，选为20us。第一复相π脉冲光l111的射入时刻选择为1000us，第二复相π脉冲光l112的射入时刻选择为1020 ，读取π脉冲光l113的射入时刻选择为2000 μs。
66.在上述脉冲时序下，斯托克斯光子l31的出射时刻t1与反斯托克斯光子l32的出射时刻t2满足t1 t2=2020μs。
67.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。