CN104778969B - 一种可存储高维量子态的固态量子存储装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给固态量子存储单元，将信号光子输出给轨道角动量分析单元；固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将信号光子送入轨道角动量分析单元中进行分析；轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析。本发明公开的装置具有易于操作且稳定性高的特点，并且存储维度数及存储模式数更高。

Description

一种可存储高维量子态的固态量子存储装置

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种可以存储高维量子态的固态量子存储装置。

背景技术

量子信息科学对保密通信和高性能计算给出了革命性的解决方案。人们可以利用量子密钥分配实现基于量子力学原理的无条件安全密钥分配。量子并行性又使得量子计算可以实现远高于经典计算机的计算能力。光子是量子网络的天然信息载体，然而由于光子在光纤中传输的损耗与传输距离呈指数关系增长，目前量子通信的距离受限于三百公里左右。为克服这一困难，人们提出了基于量子中继的远程通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储技术有效地克服了光子指数衰减的困难，使得五百公里以上的量子通信成为可能。基于量子存储的分布式量子计算网络还可实现不同位置的量子处理器并行运算。所以量子存储器是构建量子网络的核心部件，实用化量子网络的构建依赖于高性能量子存储器的物理实现。量子存储器利用原子能级的共振光学跃迁实现对单光子的捕获及存取。评价量子存储器性能的主要指标包括：存储寿命、保真度、存储效率、存储带宽、存储维度及复用模式数。

现在比较成熟的量子存储器包括以下几种体系：

1)气态原子系综。气态原子系综是由大量自由空间的孤立原子构成的，这是最早实现单光子量子存储的系统。气态原子系综分为冷原子系综和热原子系综。热原子系综内的原子在空间内自由运动，原子间的碰撞会导致退相干，故存储寿命较短。冷原子系综一般采用激光冷却加磁光阱囚禁的办法，使其相干寿命提高。它的所有原子在超低温下显示完全一致的光学吸收线，故可以达到很高的光学深度以提高光子捕获的效率。目前基于原子系综的存储方案主要有电磁感应致透明、梯度回波存储以及失谐拉曼存储。冷原子存储的主要优点是存储效率较高。但它的所有原子呈现完全一致的光学吸收频率，故系综吸收带宽过窄，导致其存储带宽也受限在10MHz量级。另外，由于自由空间的原子仍然会在空间内运动碰撞，目前冷原子量子存储的寿命为ms量级，进一步提升存储寿命需要用到更加复杂的冷却及囚禁技术，成本过高，不利于实用化。

2)单个束缚原子。单个原子体系由于所处的环境非常纯净，无明显的退相干因素，适用于存储单光子。但是自然界中的原子都是以大团原子簇的形式出现的，想要捕获单个原子并稳定的束缚住它是非常困难的。另外，单原子与单光子的耦合非常弱，原子需要放在一个强耦合的光学腔中以增强其捕获单光子的能力。所以实现单原子量子存储器需要构建一个非常昂贵和复杂的系统，且这样的系统没有好的可集成性和可扩展性。单原子的存储效率也较高，但类似于原子系综，它的存储带宽及存储寿命也是不满足实用要求的。考虑到其物理体系只是单一的原子，无法接受多个光子激发，其存储维度数或复用模式数也是最低的。

3)稀土离子掺杂晶体。稀土离子的4f→4f能级转移在低温下具有毫秒量级的光学相干时间，其自旋能态具有超过一小时的超长寿命。这使得稀土离子十分适用于光量子态的存储。相对于目前研究已经较成熟的冷原子、热原子，单原子等量子存储系统，稀土掺杂晶体具有明显的优势：离子自旋态相干寿命长，提供长时间的存储；有多种掺杂离子可选，可提供光纤通讯窗口波长；离子系综非均匀展宽很宽(1GHz～100GHz)，可提供宽带存储；杂质离子天然囚禁在宿主晶体中，位置稳定，适合作空间信息存储；所用存储样品商业化，易加工、购买；作为固态体系，易集成和扩展，物化性质稳定。基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器，目前弱光存储时间达1ms，理论存储时间可超过1小时，存储效率达70％，存储保真度达99％，单光子存储的时间复用模式数达100个，存储带宽达5GHz。这些优异的性能表现使得基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器有望在未来量子网络中获得重要的应用。

值得关注的是，光具有诸多自由度可以携带信息，包括频率、相位、时间-能量、偏振、轨道角动量等。目前固态量子存储器成功实现对光子频率、相位、时间-能量以及偏振信息的存储。固态量子存储的宽带宽和长寿命使得其具有时间域以及频率域的多模式存储能力，其单光子存储的时间复用模式数已被证明可达100个，频率域的复用模式数达20个。基于量子中继的量子通信的速率与存储器复用模式数为近似线性关系的正相关，故提高存储器的复用模式数至关重要。轨道角动量自由度具有其独特的优势，它描述了光子波前的横向分布，原则上具有不受限制的量子数。轨道角动量自由度可以实现高维度的信息编码并支持存储器在空间域的多模式运行，从而极大的提高通信的比特率。高轨道角动量光子的光斑大小与量子数正相关，所以实现高轨道角动量存储对存储体系的关键要求是存储器的空间尺寸应足够大。这一要求在固态体系中天然地满足了，存储器空间尺寸可达几十毫米，支持上万个轨道角动量模式的存储。

发明内容

本发明的目的是提供一种可存储高维量子态的空间复用型固态量子存储装置，其存储维度高且易于实现。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：

所述泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备所述固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给所述固态量子存储单元，将所述信号光子输出给所述轨道角动量分析单元；

所述固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将所述信号光子送入所述轨道角动量分析单元中进行分析；

所述轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析，以实现高维量子态存储及空间域的多模式运行。

可选地，所述信号光子可携带轨道角动量信息。

可选地，所述分析至少包括初态制备、态变换以及态测量。

可选地，所述泵浦激光单元包括：连续激光器、第一声光调制器、电光调制器与第二声光调制器，其中：

所述连续激光器用于输出连续可调谐的激光；

所述第一声光调制器用于根据所述连续激光器输出的激光产生固态量子存储装置制备所需的泵浦光；

所述电光调制用于拓展所述第一声光调制器输出的泵浦光的带宽；

所述第二声光调制器用于产生待存储的信号光子。

可选地，所述连续激光器为连续钛宝石激光器。

可选地，所述第一声光调制器和第二声光调制器为TeO₂材料的声光晶体。

可选地，所述固态量子存储单元包括：稀土掺杂晶体、透镜组、低温腔及磁场、与斩波器组，其中：

所述稀土掺杂晶体用于对于信号光子进行捕获；

透镜组用于对于信号光子进行聚焦并使其在稀土掺杂晶体上与泵浦光相结合；

所述低温腔及磁场用于对于所述稀土掺杂晶体进行冷却；

所述斩波器组用于将泵浦光与信号光子在时间上分离。

可选地，所述稀土掺杂晶体为Nd：YVO₄晶体。

可选地，所述轨道角动量分析单元包括：第一空间光调制器、第二空间光调制器、单模光纤及单光子探测装置，其中：

所述第一空间光调制器用于将所述第二声光调制器产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子叠加态；

所述第二空间光调制器用于将所述固态量子存储单元读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式；

所述单模光纤用于将所述固态量子存储系统读取出的信号光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述单光子探测装置用于对所述固态量子存储系统读取出的信号光子做时间关联的光子计数分析并记录分析结果。

可选地，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为纯相位调制器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将固态量子存储装置配合泵浦光单元的泵浦光，可以实现任意轨道角动量量子态的存储，利用轨道角动量分析单元可以验证高维量子态的存储以及存储器的空间域复用；上述技术方案所采用的设备易于操作且稳定性高，其存储的量子态维度数高且空间模式容量大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明一实施例提供的一种可存储高维量子态的固态量子存储装置的模块结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的可存储高维量子态的固态量子存储装置的工作原理示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种单光子存储时间谱的示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种高维空间量子叠加态存储性能的示意图；

图5为本发明一实施例提供的一种高维空间存储装置效率均匀性的示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的可存储高维量子态的固态量子存储装置的模块结构示意图，如图1所示，该装置包括：固态量子存储单元11、泵浦激光单元12和轨道角动量分析单元13，其中：

所述泵浦激光单元12，用于产生待存储的信号光子，制备所述固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给所述固态量子存储单元11，将所述信号光子输出给所述轨道角动量分析单元13；

其中，所述信号光子可携带有轨道角动量信息。

所述固态量子存储单元11，用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元12的泵浦光相结合，并将所述信号光子送入所述轨道角动量分析单元13中进行分析；

信号光子与泵浦光在量子存储装置上空间重合，泵浦光实现对量子存储的制备，从而实现对信号光子的存储。

所述轨道角动量分析单元13，用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行初态制备、态变换以及态测量等分析，以实现高维量子态存储及空间域的多模式运行。

进一步的，所述泵浦激光单元12包括：连续激光器121、第一声光调制器122、电光调制器123与第二声光调制器124，其中：

所述连续激光器121，用于输出连续可调谐的激光；

所述第一声光调制器122，用于根据所述连续激光器121输出的激光产生固态量子存储装置制备所需的泵浦光；

所述电光调制123，用于拓展所述第一声光调制器122输出的泵浦光的带宽；

所述第二声光调制器124，用于产生待存储的信号光子。

进一步地，所述固态量子存储单元11包括：稀土掺杂晶体111、透镜组112、低温腔及磁场113、与斩波器组114，其中：

所述稀土掺杂晶体111，用于对于信号光子进行高效率捕获；

透镜组112，用于对于信号光子进行聚焦并使其在稀土掺杂晶体111上与泵浦光相结合；

所述低温腔及磁场113，用于对于所述稀土掺杂晶体111进行冷却，以获得较长的相干寿命及能级寿命；

所述斩波器组114，用于将泵浦光与信号光子在时间上分离，以确保固态量子存储装置工作的信噪比。

进一步的，所述轨道角动量分析单元13包括：第一空间光调制器131、第二空间光调制器132、单模光纤133及单光子探测装置134，其中：

所述第一空间光调制器131，用于将所述第二声光调制器124产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子叠加态；

所述第二空间光调制器132，用于将所述固态量子存储单元11读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式；

所述单模光纤133，用于将所述固态量子存储系统11读取出的信号光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述单光子探测装置134，用于对所述固态量子存储系统11读取出的信号光子做时间关联的光子计数分析并记录分析结果。

本发明该实施例将固态量子存储装置与轨道角动量自由度的信息编码结合起来，实现了高维量子叠加态的量子存储，并实现空间域的多模式复用，上述技术方案所采用的设备易于操作，所述固态量子存储装置具有较高的稳定性、可扩展性及可集成性。

为了进一步介绍本发明，接下来将列举具体的数值，对于所述固态量子存储装置中的元件参数进行介绍。需要说明的是，下文中所列举的元件参数数值仅为便于理解本发明，并非构成限制；在实际应用中，用户可以根据需求或经验采用不同参数的元件。

如图2所示，为本发明一实施例提供的一种固态量子存储装置的工作原理示意图，如图2所示，在该实施例中，所述固态量子存储装置包括：

1)880nm单光子固态量子存储单元21；

所述880nm单光子固态量子存储单元21包括：Nd：YVO₄晶体211，透镜组212，低温腔及磁体213和斩波器组214。

本实施例中，Nd：YVO₄晶体211的参数可以为：掺杂浓度百万分之五，晶体三维尺寸为14*8*3mm，其中，3mm为a轴方向，光线沿a轴传播，晶体入射出射截面对880nm镀增透膜，入射光偏振态为与晶体c轴平行。

本实施例中，透镜组212的焦距可以为300mm，将信号光高斯模式聚焦后光斑大小约120um。泵浦光在样品上光斑大小为2mm。信号光与泵浦光在样品上的夹角约为20mrad，透镜组可以对880nm镀增透膜。

本实施例中，低温腔及磁场213可以通过闭循环制冷的方式获得1.5K的样品温度。样品空间大于30mm尺寸。超导磁体提供0.3T的静态磁场，磁场方向与晶体c轴平行。低温腔的光学窗片直径25mm。

该低温腔及磁场213中的Nd：YVO₄晶体将对880nm的单光子有带宽达2GHz的强吸收带。吸收线经过操作后可以实现对单光子的高效率存储。经过实验优化后，所述固态量子存储装置在40ns存储时间下存储效率超过35％。如图3所示，为880nm的单光子相干态存储的时间谱结果，从图3中可以看到，时间0时刻的光子几乎被完全吸收，时间40ns处为存储后的输出信号，效率达35％，其后的峰值为高阶次的回波发射。本实施例采用的存储方案是原子频率梳方案，这种方案具有高信噪比的特点，当然其它存储方案也适用。

本实施例中，泵浦光与信号光的分离由斩波器组214实现。该斩波器组的参数可以为：两刀片，锁相型控制，斩波频率为40Hz，占空比为45∶55。时间抖动＜300us。

2)880nm泵浦激光单元22；

所述880nm泵浦激光单元22包括：连续可调谐激光器221，第一声光调制器222，电光调制器223，第二声光调制器224。

本实施例中，连续可调谐激光器221为连续钛宝石激光器，它输出880nm的稳频激光，其功率达3.5W，线宽为100kHz量级。激光可调谐范围700-1000nm。激光由PDH锁频技术锁定向一个超稳定参考FP腔，克服温度变化引起的长期漂移，使所述泵浦激光单元连续工作的稳定性增强。

本实施例中，第一声光调制器222为TeO₂材料的声光晶体，晶体采用双次通过的光路调制激光。中心频率可以为200MHz，射频带宽为100MHz，调制上升时间为10ns。该声光调制晶体由一个可编程射频源驱动，射频源经计算机编程后可以产生频率及幅度受控的射频扫频信号。本泵浦光可以为带宽为100MHz，周期为25MHz的梳状结构。

本实施例中，电光调制器223可以为光纤耦合的10GHz的相位型电光调制器，调制波段为880纳米，半波电压为2伏特。它被一个100MHz的射频信号驱动时将产生频率为±100MHz及±200MHz的边带，从而拓展泵浦光带宽至约500MHz。

本实施例中，第二声光调制器224为TeO₂材料的声光晶体，晶体采用双次通过的光路调制激光。其固定工作频率为200MHz，将源激光频率移动到泵浦光的中心频率对准，它的调制脉冲宽度可以为30ns。

3)轨道角动量分析单元。

所述轨道角动量分析单元包含第一空间光调制器231，第二空间光调制器232，单模光纤233及单光子探测装置。

本实施例中，第一空间光调制器231可以为纯相位调制器，它将第二声光调制器224输出的信号光子空间模式转换为高轨道角动量的量子叠加态。量子叠加态可以选取为|ι>+|-ι>，其中，ι为轨道角动量量子数。该空间光调制器的参数可以为：效率高于90％，像素元大小15um*15um，512*512像素。

本实施例中，第二空间光调制器232可以为纯相位调制器，它将信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入单模光纤233中投影探测。它的测量基可以选取为|ι>+|-ι>以及|ι>-|-ι>。该空间光调制器的参数可以为：效率高于90％，像素元大小15um*15um，512*512像素。

本实施例中，单模光纤233用于信号光子的轨道角动量模式分析，它实现对高斯模式的耦合并拒绝其它轨道角动量模式。该光纤可以为780HP型单模光纤。光纤的外包层可以进一步做涂黑处理已降低噪声。

本实施例中，单光子探测装置234可以为硅基的雪崩光电二极管及皮秒时间分析仪，用于单光子信号的记录及分析。单光子探测器的指标可以为暗记数小于200个每秒，探测效率30％，结合皮秒时间分析仪的时间分辨精度可以为300皮秒。

本实施例中，为了衡量存储器存储高维量子叠加态的性能，可以采用两项独立指标，即存储态可见度以及存储效率。其中，可见度的定义为(I₁-I₂)/(I₁+I₂)，其中，I₁为|ι>+|-ι>态测量得到的光子数，I₂为|ι>-|-ι>态测量得到的光子数。理想的态制备及态存储过程应该完全不改变输入态，则输出态与|ι>-|-ι>态完全正交，可见理想态制备及态存储的可见度应该是为1的。图4中可以看到，黑色方块代表输入光子态的可见度，由于空间光调制器的分辨率有限，高轨道角动量叠加态的可见度略有下降。黑色圆圈代表输出光子态的可见度，可以看到在量子数ι小于10时，可见度高于99％。ι达25时，可见度仍高于95％。这一实施结果证实了该固态量子存储器存储高维量子叠加态的优异性能。考虑到每个ι数值可以对应一个独立的空间复用模式，这一结果也证明了本实施例中的存储器可以实现51个空间模式的复用。图3中可以看到随着ι值的增加，存储效率在持续下降。这一效率下降是由于泵浦光的空间模式为高斯模式，它的能量空间分布由中心向外呈现指数型的衰减。而ι值低的模式能量主要集中于中心，ι值越高的模式则能量越向外分散。故低ι值模式对泵浦功率的需求低，高ι值模式对泵浦功率需求高。只需进一步增强泵浦功率，即可实现对所有空间模式均等的存储效率。图5给出了一个高泵浦功率下的存储效率结果，可以看到所有空间模式的存储效率均为20％左右。

本发明实施例中利用了独创的固态量子存储装置，将单光子水平的信号光子与毫瓦水平的泵浦光结合在样品上实现对信号光子的高保真存储。其中，泵浦光的光斑大小为2mm，信号光高斯模式的光斑大小为120um，这确保了存储器的有效空间尺寸可以支持几十个轨道角动量模式的高保真存储。传统的固态量子存储光路采用单模光纤结合信号光及泵浦光，单模光纤将滤除轨道角动量模式，从而无法支持高维量子态的存储。本发明提出信号光与泵浦光采用非共线的结合方式，且泵浦光斑显著大于信号光斑，它可以支持任意轨道角动量量子态的存储且降低了泵浦噪声。固态量子存储所采用的晶体是商业化的激光晶体，易于获得易于加工。其它光机械器件也都是经典光纤通讯中所广泛使用的，技术非常成熟而且价格低廉。本发明与现有经典光通讯系统有较好的兼容性，成本低且可集成性好。

进一步的，本发明实施例中的泵浦激光单元，用于产生存储装置制备所需的泵浦光。该泵浦激光的一个特色设计是采用了相位型电光调制器进一步拓展存储带宽至500MHz。该泵浦激光单元采用的是原子频率梳型的泵浦方案，易于实现，信噪比高。所使用的激光器及调制器件都是商业化的成熟产品，成本合理，稳定性高。

进一步的，本发明创造性地利用了轨道角动量自由度来实现高维量子态的固态量子存储装置，且可以实现空间域的多模式复用。轨道角动量量子态的操作依靠空间光调制器及单模光纤实现。这套分析装置具有可编程的特点，使用灵活且成本较低。这一自由度的存储保真度主要依赖于存储介质空间上的相位稳定性。由于稀土掺杂晶体中的离子天然地被囚禁在宿主晶体中，完全没有空间位移，故存储轨道角动量量子态几乎没有退相干因素，这使得本发明实施例获得了较好的存储可见度。选取这一自由度研究多模式量子存储的一个额外好处是，它与时间域、频率域复用是完全独立，可以并行复用的。考虑100个时间模式、20个频率模式以及本实施例中获得的51个空间模式，有理由预测固态量子存储器的总复用模式数可以超过100000个。这一超高的复用模式数将加速推进高效率量子中继的实用化进程，极大地提升未来量子通信的速率。

总而言之，本发明利用稀土掺杂晶体实现固态量子存储单元，通过轨道角动量量子态编码实现空间域可模式复用的高维固态量子存储装置。通过一系列创新的设计，使得本发明和之前类似设计相比，在提升了系统稳定及易用性的同时，大大提高了存储维度和存储模式数。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：

所述泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备所述固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给所述固态量子存储单元，将所述信号光子输出给所述轨道角动量分析单元；

所述固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将所述信号光子送入所述轨道角动量分析单元中进行分析；

所述轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析，以实现高维量子态存储及空间域的多模式运行。

2.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述信号光子可携带轨道角动量信息。

3.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述分析至少包括初态制备、态变换以及态测量。

4.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述泵浦激光单元包括：连续激光器、第一声光调制器、电光调制器与第二声光调制器，其中：

所述连续激光器用于输出连续可调谐的激光；

所述第一声光调制器用于根据所述连续激光器输出的激光产生固态量子存储装置制备所需的泵浦光；

所述电光调制器用于拓展所述第一声光调制器输出的泵浦光的带宽；

所述第二声光调制器用于产生待存储的信号光子。

5.根据权利要求4所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述连续激光器为连续钛宝石激光器。

6.根据权利要求4所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述第一声光调制器和第二声光调制器为TeO₂材料的声光晶体。

7.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述固态量子存储单元包括：稀土掺杂晶体、透镜组、低温腔及磁场、与斩波器组，其中：

所述稀土掺杂晶体用于对于信号光子进行捕获；

透镜组用于对于信号光子进行聚焦并使其在稀土掺杂晶体上与泵浦光相结合；

所述低温腔及磁场用于对于所述稀土掺杂晶体进行冷却；

所述斩波器组用于将泵浦光与信号光子在时间上分离。

8.根据权利要求7所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述稀土掺杂晶体为Nd:YVO₄晶体。

9.根据权利要求4所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述轨道角动量分析单元包括：第一空间光调制器、第二空间光调制器、单模光纤及单光子探测装置，其中：

所述第一空间光调制器用于将所述第二声光调制器产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子叠加态；

所述第二空间光调制器用于将所述固态量子存储单元读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式；

所述单模光纤用于将所述固态量子存储单元读取出的信号光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述单光子探测装置用于对所述固态量子存储单元读取出的信号光子做时间关联的光子计数分析并记录分析结果。

10.根据权利要求9所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为纯相位调制器。