CN107393587B - 可多自由度并行复用的固态量子存储装置 - Google Patents
可多自由度并行复用的固态量子存储装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107393587B CN107393587B CN201710689982.3A CN201710689982A CN107393587B CN 107393587 B CN107393587 B CN 107393587B CN 201710689982 A CN201710689982 A CN 201710689982A CN 107393587 B CN107393587 B CN 107393587B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- acousto
- solid
- frequency
- signal
- photons
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 49
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 46
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 33
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 22
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 20
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 230000006386 memory function Effects 0.000 claims 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 229910003069 TeO2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000005055 memory storage Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011137 process chromatography Methods 0.000 description 1
- -1 rare earth ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
一种多自由度并行复用的固态量子存储装置，包括：控制单元，用于产生泵浦控制光，还用于产生含多自由度信息的信号光子以进行初态制备；固态量子存储单元，用于结合来自控制单元的泵浦控制光以及所述含多自由度信息的信号光子，以及存储结合后的所述信号光子；光子信息分析单元，用于对固态量子存储单元存储的信号光子的多自由度信息做态变换以及态测量。本发明公开的装置具有易于操作且稳定性高的特点，并且总存储容量以乘积的方式快速获得提升。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种可以多自由度并行复用的固态量子存储装置。
背景技术
量子通信是目前唯一基于物理学原理的无条件安全通信方式。历经三十多年的发展，短程量子通信技术已经从实验室走向实用化攻关阶段。量子通信发展的最终目标是构建全国乃至洲际的大尺度量子通信网络。
光子是量子通信的天然载体，然而由于不可克服的信道损耗，光子的传输距离非常有限。以通讯波段光纤为例，光子通过1000公里光纤的几率是10的-20次方，而单量子信号无法直接放大，故目前地面安全量子通信的距离被限制在百公里量级。
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。近年来基于稀土离子的固态量子存储器在以上各种指标上展现了较大的应用潜力。
目前固态量子存储器仅是实现对光子频率、相位、轨道角动量、时间-能量以及偏振等各种单一自由度信息的存储。虽然可单一自由度复用模式数可以进行拓展，例如时间复用模式数已被证明可达100个[Nature Communications 6.8652(2015)]，频率域的复用模式数达26个[Phys.Rev.Letts.113.053603(2014)]，空间域的复用模式数达51个[Phys.Rev.Letts.115.070502(2015)]。但是总体存储量还有待提高，且不能很好的提高信噪比。
发明内容
本发明的目的是提供一种可多自由度并行复用的固态量子存储装置，其存储容量易于大幅提升且装置稳定性高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种多自由度并行复用的固态量子存储装置，包括：
控制单元，用于产生泵浦控制光，还用于产生含多自由度信息的信号光子以进行初态制备；
固态量子存储单元，用于结合来自控制单元的泵浦控制光以及所述含多自由度信息的信号光子，以及存储结合后的所述信号光子；
光子信息分析单元，用于对固态量子存储单元存储的信号光子的多自由度信息做态变换以及态测量。
进一步的，所述多自由度信息包括以下两种或两种以上：频率、相位、时间-能量、偏振以及轨道角动量。
进一步的，所述多自由度信息包括：频率、时间以及轨道角动量。
进一步的，所述固态量子存储单元包括：稀土掺杂晶体、透镜组、低温腔和光快门组，其中，所述稀土掺杂晶体，用于捕获单光子；所述透镜组，用于聚焦泵浦控制光和/或信号光子；所述低温腔，用于冷却所述稀土掺杂晶体，提高相干寿命及能级寿命；所述光快门组，用于将泵浦控制光与信号光子在时间上分离，提高存储器工作的信噪比。
进一步的，所述控制单元包括连续激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第四声光调制器以及第一空间光调制器，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，用于产生存储器在一种频率模式f1下工作，所需求的泵浦控制光；所述第二声光调制器，用于产生存储器在一种频率模式f2下工作，所需求的泵浦控制光；所述第三声光调制器，用于产生存储器在一种频率模式f1下工作，所需求的待存储的信号光子；所述第四声光调制器，用于产生存储器在一种频率模式f2下工作，所需求的待存储的信号光子；所述第一空间光调制器，用于将所述声光调制器所产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子态。
进一步的，所述光子信息分析单元包括：高速光开关组、第二空间光调制器、单光子滤波装置、及单光子探测装置；其中，
所述高速光开关组，用于将泵浦控制光与信号光子在时间上分离，以提高存储器工作的信噪比；
所述第二空间光调制器，用于对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；
所述单光子滤波装置，用于在频率及空间自由度上，提取信号光子携带的信息，并滤波抑制噪声；
所述单光子探测装置，用于探测经单光子滤波装置滤波后的光子并提取信号光子携带的时间信息。
进一步的，所述单光子滤波装置包括基于晶体自身的频域滤波器，还包括反射镜使光子双次通过该频域滤波器，以提升信噪比。
进一步的，所述稀土掺杂晶体是具有按需式存储功能的稀土掺杂晶体。
进一步的，所述连续激光器为倍频半导体激光器，包括含多个中心频率的原子频率梳。
进一步的，所述高速光开关组是基于级联声光调制器的高速光开关。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，将固态量子存储器配合控制单元的控制光，可以实现多自由度量子态的存储，利用光子信息分析单元可以验证多自由度量子态的存储以及存储器的复用；上述过程所采用的设备易于操作且稳定性高，其存储容量可以乘积的方式大幅提升。
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为本发明实施例一提供的可多自由度并行复用的固态量子存储装置的示意图；
图2为本发明实施例二提供的可多自由度并行复用的固态量子存储装置的工作示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种单光子空间信息按需式存储的时间谱及存储操作示意图；
图4为本发明实施例二提供的一种三自由度并行复用存储结果的示意图；
图5A和图5B分别为本发明实施例二提供的一种任意模式变换的柱状立体结果示意图和表格对比图。
具体实施方式
本发明所使用的序数例如“第一”、“第二”等用词，以用以修饰不同类型的声光调制器、稀土掺杂晶体以及空间光调制器等，其本身并不包含任何之前的序数，也不代表某一声光调制器、稀土掺杂晶体以及空间光调制器等前后的顺序或是操作上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一声光调制器、稀土掺杂晶体以及空间光调制器得以和另一具有相同命名的声光调制器、稀土掺杂晶体以及空间光调制器能作出清楚区分。
根据本发明的基本构思，考虑一个量子存储器，它在某一自由度具有M模式的复用容量，如果继续在这个自由度上提升N模式、P模式的容量，则总容量为M+N+P个模式。如果一个量子存储器在空间域有M模式，时间域有N模式，频率域有P模式容量，由于这些自由度完全独立，该存储器总容量达M×N×P个模式，以乘积的方式获得大幅度提升。以上结果显示，多自由度并行复用技术可以显著提升量子存储器及量子信道的通信容量，是在未来量子网络中具有广泛应用前景的新技术。
光子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、轨道角动量等等。量子中继的量子通信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。
本发明实施例提供一种多自由度并行复用的固态量子存储装置，包括：
控制单元，用于产生泵浦控制光和含多自由度信息的信号光子；
固态量子存储单元，用于结合来自控制单元的泵浦控制光以及所述含多自由度信息的信号光子，以及存储所述信号光子；
光子信息分析单元，用于对固态量子存储单元存储的信号光子的多自由度信息做态变换以及态测量。将固态量子存储器配合控制单元的控制光，可以实现多自由度量子态的存储，利用光子信息分析单元可以验证多自由度量子态的存储以及存储器的复用。
在一些实施例中，多自由度信息包括以下两种或两种以上：频率、相位、时间-能量、偏振以及轨道角动量。
进一步优选的，所述多自由度信息包括：频率、相位以及轨道角动量。
在一些实施例中，所述固态量子存储单元包括：稀土掺杂晶体、透镜组、低温腔和光快门组，其中，所述稀土掺杂晶体，用于捕获单光子；透镜组，用于聚焦泵浦控制光和/或信号光子；该透镜组可以具有多个透镜，可分别设置于稀土掺杂晶体之前或者之后；低温腔，用于冷却所述稀土掺杂晶体，获得长相干寿命及能级寿命；所述光快门组，用于将泵浦控制光与信号光子在时间上分离，提高存储器工作的信噪比。
在一些实施例中，所述控制单元包括连续激光器、多个调整成信号光子的声光调制器、多个调整成泵浦控制光的声光调制器以及第一空间调制器，其中，所述连续激光器，用于输出连续可调谐的激光；所述多个调整产生信号光子的声光调制器，分别用于产生在不同频率模式下工作的信号光子；多个产生泵浦控制光的调制器，分别用于产生在不同频率模式下工作的泵浦控制光；所述第一空间光调制器，用于将所述多个产生泵浦控制光的声光调制器所产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子态。
在一些实例中，所述光子信息分析单元包括：高速光开关组、第二空间光调制器、单光子滤波装置、及单光子探测装置；其中，所述高速光开关组，用于将泵浦控制光与信号光子在时间上分离，以提高存储器工作的信噪比；所述第二空间光调制器，用于对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；所述单光子滤波装置，用于在频率及空间自由度上，提取信号光子携带的信息，并滤波抑制噪声；所述单光子探测装置，用于探测经单光子滤波装置滤波后的光子并提取信号光子携带的时间信息。
在一些实施例中，单光子滤波装置包括基于晶体自身的频域滤波器，还包括反射镜使光子双次通过该频域滤波器，以提升信噪比。
在一些实施例中，稀土掺杂晶体是具有按需式存储功能的稀土掺杂晶体。
在一些实施例中，连续激光器为倍频半导体激光器，包括含多个中心频率的原子频率梳。
在一些实施例中，高速光开关组是基于级联声光调制器的高速光开关。
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。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的可多自由度并行复用的固态量子存储装置的示意图。如图1所示，该装置主要包括：
固态量子存储单元11、控制单元12及光子信息分析单元13；
其中，所述固态量子存储单元11，用于结合来自控制单元12的控制光以及携带轨道角动量、时间、频率等多自由度信息的信号光子，其中读取的信号光子将送入光子信息分析单元13中；
所述控制单元12，用于产生制备存储器所需的泵浦控制光和含多自由度信息的信号光子；
所述光子信息分析单元13，用于对信号光的时间、频率及空间等多自由度信息做态变换以及态测量，实现多自由度的并行复用存储。
进一步的，所述固态量子存储单元11可以包括：稀土掺杂晶体111、透镜组112、低温腔113和光快门组114；
所述第一稀土掺杂晶体111，用于实现对单光子的高效率捕获；
透镜组112，用于对信号光子聚焦并在稀土掺杂晶体111上结合泵浦控制光及信号光；
所述低温腔113，用于冷却所述稀土掺杂晶体111，获得较长的相干寿命及能级寿命；
所述光快门组114，用于将泵浦激光与信号光子在时间上分离，提高存储器工作的信噪比。
进一步的，所述控制单元12包括：连续激光器121、第一声光调制器122、第二声光调制器123、第三声光调制器124、第四声光调制器125与第一空间光调制器126；
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，用于产生存储器在一种频率模式f1下工作，所需求的泵浦控制光；
所述第二声光调制器123，用于产生存储器在一种频率模式f2下工作，所需求的泵浦控制光；本实施例中仅考虑两个频率模式的复用，进一步提升频域模式数则增加声光调制器即可实现；
所述第三声光调制器124，用于产生存储器在一种频率模式f1下工作，所需求的待存储的信号光子；
所述第四声光调制器125，用于产生存储器在一种频率模式f2下工作，所需求的待存储的信号光子；本实施例中仅考虑两个频率模式的复用，进一步提升频域模式数则增加声光调制器即可实现；
以及所述第一空间光调制器126，用于将所述第三声光调制器124或所述第四声光调制器125所产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子态。
进一步的，所述光子信息分析单元13包括：高速光开关组132、第二空间光调制器131、单光子滤波装置133、及单光子探测装置134；
其中，高速光开关组132，用于将控制激光与信号光子在时间上分离，进一步提高存储器工作的信噪比。
所述第二空间光调制器131，用于对存储系统11读取出的信号光光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式；
所述单光子滤波装置133，用于在频率及空间自由度上，提取信号光子携带的信息，并滤波抑制噪声；
所述单光子探测装置134，用于最终探测光子并提取信号光子携带的时间信息。
本发明实施例将时间、空间及频率的并行信息编码与量子存储器结合起来，实现了三种独立自由度并行复用的量子存储器，并首次展现多自由度复用条件模式容量以乘积的方式迅速提升；上述过程所采用的设备易于操作，系统具有较高的稳定性、可扩展性及可集成性。
实施例二
为了进一步介绍本发明，本发明实施例将列举具体的数值，对该装置中的元件参数进行介绍；需要说明的是，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，为本发明实施例提供的一种可多自由度并行复用的固态量子存储装置的工作示意图。如图2所示，其主要包括：
1)606nm单光子固态量子存储单元。
其主要包括：Pr:YSO晶体211，透镜组212，低温腔及磁体213，光快门组214。
本实施例中，Pr:YSO晶体211的参数可以为：掺杂浓度万分之五，晶体三维尺寸为3mm(D1)×8mm(D2)×3mm(b轴)，其中光线沿b轴传播，晶体入射出射截面对606nm镀增透膜，入射光偏振态为与晶体D2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100μm。泵浦控制光在样品上光斑大小为300μm。信号光子与泵浦控制光在样品上的夹角约为20mrad，透镜组可以对606nm镀增透膜。
本实施例中，低温腔213可以通过闭循环制冷的方式获得3K的样品温度。样品空间大于直径30mm尺寸。低温腔的光学窗片直径20mm。
该低温腔213中的Pr:YSO晶体将对606nm的单光子有带宽大于2GHz的强吸收带。该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，该存储器在12.68μs存储时间下存储效率超过5％。如图3所示，为606nm的单光子相干态存储的时间谱结果。可以看到时间0时刻的光子几乎被完全吸收，时间12.68μs处为存储后的输出信号，效率达5％。其后的峰值为高阶次的回波发射。该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，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光快门组214实现。该光快门组的参数可以为：上升沿5ms。工作频率上限100Hz。
2)606nm控制单元。
其主要包括：连续可调谐激光器221，第一声光调制器222，第二声光调制器223，第三声光调制器224，第四声光调制器225以及第一空间光调制器226。
本实施例中，连续可调谐激光器221为倍频半导体激光器，它输出606nm的稳频激光，其功率达0.7W，线宽为10kHz量级。激光由PDH锁频技术锁定向一个超温参考FP腔，克服温度变化引起的长期漂移，使系统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2MHz，周期为200kHz，中心频率f1为180MHz的梳状结构。本控制光可以为带宽2MHz的π脉冲。
本实施例中，第二声光调制器223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2MHz，周期为200kHz，中心频率f2为220MHz的梳状结构。本控制光可以为带宽2MHz的π脉冲。本实施例中仅考虑两个频率模式的复用，进一步提升频域模式数则增加声光调制器即可实现。
本实施例中，第三声光调制器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180MHz，将源激光频率移动到泵浦光的中心频率f1对准，它的调制脉冲宽度可以为1μs。
本实施例中，第四声光调制器225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220MHz，将源激光频率移动到泵浦光的中心频率f2对准，它的调制脉冲宽度可以为1μs。本实施例中仅考虑两个频率模式的复用，进一步提升频域模式数则增加声光调制器即可实现。
实施例中，第一空间光调制器226可以为纯相位调制器，它将第三声光调制器224、第四声光调制器225输出的信号光子空间模式转换为高轨道角动量量子态。量子叠加态可以选取为|ι〉，|-ι〉，|ι>+|-ι>以及|ι>-i|-ι>等，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15μm×15μm，512×512像素。本实施例中只考虑空间域三个模式，即ι＝0，1。继续提升空间复用容量只需提升ι的大小即可实现。
3)光子信息分析单元。
其主要包含，高速光开关组232，第二空间光调制器231，单光子滤波装置233及单光子探测装置234。
本实施例中，高速光开关组232由两个级联的200MHz声光调制器组合构成。该光开关组的参数可以为：开关抑制比120dB。
本实施例中，第二空间光调制器231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光子滤波装置233中投影探测。它的测量基可以选取为|ι>，|-ι>，|ι>+|-ι>以及|ι>-i|-ι〉等等。该空间光调制器的参数可以为，效率高于90％，像素元大小15μm×15μm，512×512像素。本实施例中只考虑空间域三个模式，即ι＝0，1。继续提升空间复用容量只需提升ι的大小即可实现。
本实施例中，单光子滤波装置233用于提取光子的频率及空间信息并滤波，它实现对高斯模式的耦合并拒绝其它轨道角动量模式，同时利用频域滤波方式选择探测频率模式。该装置可以包括，560nm单模光纤2334，用于选择高斯空间模式；2nm窄带滤波片2333，用于滤除杂散光；基于Pr:YSO晶体自身烧孔的超窄带(2MHz)滤波器，用于滤除控制光及其导致的荧光。该滤波器可以采用双次通过的方式，本实施例中通过反射镜2331，进一步提升信噪比，Pr:YSO晶体2332的参数同单光子存储单元中的Pr:YSO晶体211。
本实施例中，单光子探测装置234可以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50％，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，为了展现存储装置多自由度并行复用的性能，列举以下测量结果：1：空间域信息按需式存储的保真度；2：三自由度并行复用的多模式存储；3：任意模式间转换。这些测量结果的输入态全部为单脉冲一个光子的弱相干光场。
图3中输入态为携带三维轨道角动量信息的单光子，14μs～16μs的窗口对应按需式读取出的光子信息。根据量子过程层析的分析结果，该实施例在创造性的实现了三维轨道角动量的按需式固态量子存储。该存储器存储性能为：对理想态的保真度75.7％±1.5％，对输入态的保真度85.9％±1.0％，并且获得37：1的信噪比。
图4给出了多自由度并行复用的存储结果，表中数据为归一化的光子计数。该实施例创造性的实现了三个自由度并行复用的量子存储器。并且模式之间的串扰极低。图中f1，t1，s1分别对应频率域，时间域及空间域的第一个模式，相应的f2代表频率域第二个模式，依此类推。
图5A和图5B分别为本发明实施例二提供的一种任意模式变换的柱状立体结果示意图和表格对比图在加载了三维轨道角动量信息的前提下进行了时间频率模式变换。对比图5B也就是能多轨道角动量的态信息变换而同时能保证保真度该实施例创造性的实现了时间频率模式之间的任意变换的量子存储器，并在模式转换前后保持着态的高保真度。模式一代表频率模式1+时间模式1，模式二代表频率模式1+时间模式2，模式三代表频率模式2+时间模式1，模式四代表频率模式2+时间模式2。
本发明实施例中利用了独创的固态量子存储单元，首次在时间、频率及空间三个自由度上获得并行复用的量子存储功能，并展现了多自由度并行复用条件下，存储模式数以乘积方式提升的优良特性。传统的复用量子存储方案一般只在一个自由度上工作，故模式数的提升是以加法方式提升的。本发明实施例中提出的多自由度并行复用的存储器容量具有更佳的可扩展性。这种新型复用技术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。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。其它光电、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，本发明实施例中的控制单元，用于产生存储器制备所需的泵浦光。该泵浦激光的一个特色设计是采用了多个中心频率不同的原子频率梳，首次实现在频率域复用的按需式读取固态量子存储器。这种方案易于实现且信噪比高。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，系统稳定性高。
进一步的，本发明实施例中的光子信息分析单元，用于光子多自由度信息的提取。其中单光子滤波装置创造性的采用了双次通过的Pr:YSO晶体滤波器，可以在滤波带宽不变的条件下显著提升噪声抑制比。
总而言之，在本发明实施例中，将利用稀土掺杂晶体实现固态量子存储器，通过时间、空间及频率域三个自由度的并行复用，实现快速提升固态量子存储器的复用容量。在本发明的基础上，可以分别提升时间域、频率域及空间域复用的模式数，比如考虑100个时间模式、20个频率模式及50个空间模式，则预期总模式数将达到100000个。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，大大提高了存储容量的可扩展性。这一发明将在量子网络系统中取得应用。
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 (7)
1.一种多自由度并行复用的固态量子存储装置，其特征在于包括：
控制单元，用于产生泵浦控制光，还用于产生含多自由度信息的信号光子以进行初态制备；
固态量子存储单元，用于结合来自控制单元的泵浦控制光以及所述含多自由度信息的信号光子，以及存储结合后的所述信号光子；
光子信息分析单元，用于对固态量子存储单元存储的信号光子的多自由度信息做态变换以及态测量；
其中，所述多自由度信息包括以下两种以上：
频率、相位、时间-能量、偏振以及轨道角动量；
所述控制单元包括连续激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第四声光调制器以及第一空间光调制器，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，用于产生存储器在一种频率模式f1下工作，所需求的泵浦控制光；
所述第二声光调制器，用于产生存储器在一种频率模式f2下工作，所需求的泵浦控制光；
所述第三声光调制器，用于产生存储器在一种频率模式f1下工作，所需求的待存储的信号光子；
所述第四声光调制器，用于产生存储器在一种频率模式f2下工作，所需求的待存储的信号光子；
所述第一空间光调制器，用于将所述声光调制器所产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子态。
2.根据权利要求1所述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、低温腔和光快门组，其中，
所述稀土掺杂晶体，用于捕获单光子；
所述透镜组，用于聚焦泵浦控制光和/或信号光子；
所述低温腔，用于冷却所述稀土掺杂晶体，提高相干寿命及能级寿命；
所述光快门组，用于将泵浦控制光与信号光子在时间上分离，提高存储器工作的信噪比。
3.根据权利要求1所述的固态量子存储装置，其特征在于，所述光子信息分析单元包括：高速光开关组、第二空间光调制器、单光子滤波装置、及单光子探测装置；其中，
所述高速光开关组，用于将泵浦控制光与信号光子在时间上分离，以提高存储器工作的信噪比；
所述第二空间光调制器，用于对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；
所述单光子滤波装置，用于在频率及空间自由度上，提取信号光子携带的信息，并滤波抑制噪声；
所述单光子探测装置，用于探测经单光子滤波装置滤波后的光子并提取信号光子携带的时间信息。
4.根据权利要求3所述的固态量子存储装置，其特征在于，所述单光子滤波装置包括基于晶体自身的频域滤波器，还包括反射镜使光子双次通过该频域滤波器，以提升信噪比。
5.根据权利要求2所述的固态量子存储装置，其特征在于，所述稀土掺杂晶体是具有按需式存储功能的稀土掺杂晶体。
6.根据权利要求1所述的固态量子存储装置，其特征在于，所述连续激光器为倍频半导体激光器，包括含多个中心频率的原子频率梳。
7.根据权利要求3所述的固态量子存储装置，其特征在于，所述高速光开关组是基于级联声光调制器的高速光开关。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710689982.3A CN107393587B (zh) | 2017-08-11 | 2017-08-11 | 可多自由度并行复用的固态量子存储装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710689982.3A CN107393587B (zh) | 2017-08-11 | 2017-08-11 | 可多自由度并行复用的固态量子存储装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107393587A CN107393587A (zh) | 2017-11-24 |
| CN107393587B true CN107393587B (zh) | 2020-10-27 |
Family
ID=60354415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710689982.3A Active CN107393587B (zh) | 2017-08-11 | 2017-08-11 | 可多自由度并行复用的固态量子存储装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107393587B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110020727B (zh) * | 2019-04-09 | 2021-06-08 | 合肥本源量子计算科技有限责任公司 | 一种基于mpi多进程的单量子逻辑门实现方法 |
| CN112652343B (zh) * | 2019-10-09 | 2023-08-29 | 中国科学技术大学 | 量子加密存储装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104752944A (zh) * | 2015-04-07 | 2015-07-01 | 中国科学技术大学 | 一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置 |
| CN104778969A (zh) * | 2015-04-03 | 2015-07-15 | 中国科学技术大学 | 一种可存储高维量子态的固态量子存储装置 |
| CN106685655A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-05-17 | 华南师范大学 | 一种相位偏振多自由度调制qkd网络系统及方法 |
| CN107014493A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-08-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种光子偏振态密度矩阵的直接测量装置及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8891282B2 (en) * | 2012-04-24 | 2014-11-18 | Centre National De La Recherche Scientifique | Photon echo quantum memory and method |
-
2017
- 2017-08-11 CN CN201710689982.3A patent/CN107393587B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104778969A (zh) * | 2015-04-03 | 2015-07-15 | 中国科学技术大学 | 一种可存储高维量子态的固态量子存储装置 |
| CN104752944A (zh) * | 2015-04-07 | 2015-07-01 | 中国科学技术大学 | 一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置 |
| CN106685655A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-05-17 | 华南师范大学 | 一种相位偏振多自由度调制qkd网络系统及方法 |
| CN107014493A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-08-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种光子偏振态密度矩阵的直接测量装置及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Realization of Reliable Solid-State Quantum Memory for Photonic Polarization Qubit;周宗权等;《PHYSICAL REVIEW LETTERS》;20120511;全文 * |
| Storage and retrieval of vector beams of light;Valentina Parigi等;《NATURE COMMUNICATIONS》;20150713;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107393587A (zh) | 2017-11-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jobez et al. | Cavity-enhanced storage in an optical spin-wave memory | |
| Auston | Subpicosecond electro‐optic shock waves | |
| Lauritzen et al. | Approaches for a quantum memory at telecommunication wavelengths | |
| Saglamyurek et al. | Conditional detection of pure quantum states of light after storage in a Tm-doped waveguide | |
| CN104778969B (zh) | 一种可存储高维量子态的固态量子存储装置 | |
| Sabooni et al. | Storage and recall of weak coherent optical pulses with an efficiency of 25% | |
| CN101149288A (zh) | 一种高效红外单光子探测方法 | |
| CN107393587B (zh) | 可多自由度并行复用的固态量子存储装置 | |
| Liang et al. | Single-photon detection and its applications | |
| Zhang et al. | Telecom-band–integrated multimode photonic quantum memory | |
| Clausen et al. | Analysis of a photon number resolving detector based on fluorescence readout of an ion Coulomb crystal quantum memory inside an optical cavity | |
| CN113055098B (zh) | 一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源 | |
| Jarzyna et al. | Photon information efficiency limits in deep-space optical communications | |
| Gu et al. | Efficient mid-infrared single-photon frequency upconversion detection with ultra-low background counts | |
| CN104332803A (zh) | 窄线宽太赫兹发生器 | |
| CN202276060U (zh) | 一种自拉曼变频自锁模固体激光器 | |
| CN210670099U (zh) | 单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统 | |
| CN112038874B (zh) | 一种双池的自泵浦sbs脉冲压缩系统 | |
| CN103634051B (zh) | 一种可波分复用单光子源的产生装置 | |
| CN211785129U (zh) | 一种基于倍频的宽频odmr信号探测装置 | |
| CN113037468A (zh) | 单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统 | |
| Jiang et al. | Low-power high-contrast coded waveform discrimination at 10 GHz via nonlinear processing | |
| CN108663870A (zh) | 一种可预报单光子源产生装置 | |
| Jarzyna et al. | Optimizing deep-space optical communication under power constraints | |
| CN115327834B (zh) | 固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |