CN108270552A - 一种量子存储装置 - Google Patents

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Abstract

一种量子存储装置，涉及量子信息技术领域，包括泵浦光模块、量子存储模块和轨道角动量分析模块；所述泵浦光模块用于制造泵浦光及产生待存储的光学信号的信号光子，并将泵浦光和信号光子通过量子通道输出给所述量子存储模块；所述量子存储模块用于将接收到的泵浦光和信号光子相结合，并将信号光子输送给所述轨道角动量分析模块进行分析；所述轨道角动量分析模块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，本申请提供一种较易于实现并可存储高维量子态的空间复用型量子存储装置。

Description

一种量子存储装置
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种量子存储装置。
背景技术
量子信息技术对保密通信及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，目前量子通信在长距离方面能无法突破，于是人们提出了基于量子中继的远程通信方案，这其中量子存储装置是构建量子远程通信网络的核心部件，现有较成熟的量子存储装置有气态原子系统和单个束缚原子体系，但存在存储带宽窄、存储寿命短或存储维度、复用模式数低的问题。
发明内容
针对以上问题，本申请提供一种较易于实现并可存储高维量子态的空间复用型量子存储装置，其技术方案如下：
一种量子存储装置，包括泵浦光模块、量子存储模块和轨道角动量分析模块；
所述泵浦光模块用于制造泵浦光及产生待存储的光学信号的信号光子，并将泵浦光和信号光子通过量子通道输出给所述量子存储模块；
所述量子存储模块用于将接收到的泵浦光和信号光子相结合，并将信号光子输送给所述轨道角动量分析模块进行分析；
所述轨道角动量分析模块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。
进一步地，所述泵浦光模块包括红外线激光器、第一调制器和第二调制器，其中：
所述红外线激光器用于输出连续可调谐的红外激光；
所述第一调制器用于根据所述红外线激光器输出的激光产生泵浦光；
所述第二调制器用于产生待存储的光学信号的信号光子。
进一步地，所述光学信号包含具有红外波长的第一信号和具有从第一信号偏移对应于微波波长的量的红外波长的第二信号。
进一步地，所述量子存储模块包括光学子系统、与所述光学子系统耦接的超导体子系统，其中光学子系统和超导体子系统由微波传输介质相互耦接；
所述光学子系统通过量子通道接收光学信号，并把光学信号的信号光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由所述微波传输介质被输出给所述超导体子系统；
所述超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开所述超导体子系统的量子通道传送所述微波光子输送给所述轨道角动量分析模块。
进一步地，所述光学子系统包括NaGd(MoO4)2晶体、透镜模组、与量子通道耦接的电子器件，所述电子器件具有非线性电流-电压特性；
所述NaGd(MoO4)2晶体用于捕获信号光子；
所述透镜模组用于对信号光子进行聚集并使其在NaGd(MoO4)2晶体上与泵浦光相结合；
所述电子器件把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
进一步地，所述电子器件包含：纳米线波导、放置在波导上方的天线臂结构和纳米尺度隧道结，其中天线把光学信号的红外频率电场馈送给纳米尺度隧道结，所述纳米尺度隧道结把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
进一步地，所述超导体子系统包含具有Josephson量子位存储器件的超导传输线谐振器，所述光学子系统通过电连接接合到超导体子系统的超导传输线谐振器。
进一步地，所述轨道角动量分析模块包括第一解调器、第二解调器；
所述第一解调器用于将所述第二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；
所述第二解调器用于将所述量子存储模块读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式。
依据上述技术方案，本发明将量子存储装置配合泵浦光模块的泵浦光，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模块可以验证高维量子态的存储及存储器的空间域复用，上述技术方案采用的设备易于操作且稳定性较高，其存储的量子态维度高且空间模式容量大。
附图说明
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的模块结构示意图；
图2为图1中的电子器件示意图。
其中，1、泵浦光模块；11、红外激光器；12、第一调制器；13、第二调制器；2、量子存储模块；21、光学子系统；211、NaGd(MoO4)2晶体；212、透镜模组；213、电子器件；2131、纳米线波导；2132、天线臂；2133、纳米尺度隧道结；22、超导子系统；221、超导传输线谐振器；3、轨道角动量分析模块；31、第一解调器；32、第二解调器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示为本发明提供的量子存储装置的模块结构示意图，一种量子存储装置，包括泵浦光模块1、量子存储模块2和轨道角动量分析模块3；
所述泵浦光模块1用于制造泵浦光及产生待存储的光学信号的信号光子，并将泵浦光和信号光子通过量子通道输出给所述量子存储模块2；
所述量子存储模块2用于将接收到的泵浦光和信号光子相结合，并将信号光子输送给所述轨道角动量分析模块3进行分析；
所述轨道角动量分析模块3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。
i、所述泵浦光模块1包括红外线激光器11、第一调制器12和第二调制器13，其中：
所述红外线激光器11用于输出连续可调谐的红外激光；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，使所述泵浦光模块1连续稳定工作。
所述第一调制器12用于根据所述红外线激光器11输出的激光产生泵浦光；第一调制器12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描信号。
所述第二调制器13用于产生待存储的光学信号的信号光子。
所述光学信号包含具有红外波长的第一信号和具有从第一信号偏移对应于微波波长的量的红外波长的第二信号。
ii、所述量子存储模块2包括光学子系统21、与所述光学子系统21耦接的超导体子系统22，其中光学子系统21和超导体子系统22由微波传输介质相互耦接；
所述光学子系统21通过量子通道接收光学信号，并把光学信号的信号光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由所述微波传输介质被输出给所述超导体子系统22；
所述超导体子系统22保存微波光子的量子态，并沿着离开所述超导体子系统22的量子通道传送所述微波光子输送给所述轨道角动量分析模块3。
所述光学子系统21包括NaGd(MoO4)2晶体211、透镜模组212、与量子通道耦接的电子器件213，所述电子器件213具有非线性电流-电压特性；
所述NaGd(MoO4)2晶体211用于捕获信号光子；
所述透镜模组212用于对信号光子进行聚集并使其在NaGd(MoO4)2晶体211上与泵浦光相结合；
所述电子器件213把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
如图2所示，所述电子器件213包含：纳米线波导2131、放置在波导2131上方的天线臂2132结构和纳米尺度隧道结2133，其中天线把光学信号的红外频率电场馈送给纳米尺度隧道结2133，所述纳米尺度隧道结2133把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
所述超导体子系统22包含具有Josephson量子位存储器件的超导传输线谐振器221，所述光学子系统21通过电连接接合到超导体子系统22的超导传输线谐振器221。
iii、所述轨道角动量分析模块3包括第一解调器31、第二解调器32；
所述第一解调器31用于将所述第二调制器13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；
所述第二解调器32用于将所述量子存储模块2读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式。
本发明将单光子水平的信号光子与毫瓦水平的泵浦光结合实现对信号光子的高保真存储，其中泵浦光的光斑大小可采用2mm，信号光高斯模式的光斑大小为120um,这确保了存储装置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，另外本发明利用轨道角动量自由度来实现高维量子态的量子存储装置，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，使用灵活成本低。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种量子存储装置，其特征在于，包括泵浦光模块、量子存储模块和轨道角动量分析模块；
所述泵浦光模块用于制造泵浦光及产生待存储的光学信号的信号光子，并将泵浦光和信号光子通过量子通道输出给所述量子存储模块；
所述量子存储模块用于将接收到的泵浦光和信号光子相结合，并将信号光子输送给所述轨道角动量分析模块进行分析；
所述轨道角动量分析模块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.如权利要求1所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述泵浦光模块包括红外线激光器、第一调制器和第二调制器，其中：
所述红外线激光器用于输出连续可调谐的红外激光；
所述第一调制器用于根据所述红外线激光器输出的激光产生泵浦光；
所述第二调制器用于产生待存储的光学信号的信号光子。
3.如权利要求1或2所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述光学信号包含具有红外波长的第一信号和具有从第一信号偏移对应于微波波长的量的红外波长的第二信号。
4.如权利要求1所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述量子存储模块包括光学子系统、与所述光学子系统耦接的超导体子系统，其中光学子系统和超导体子系统由微波传输介质相互耦接；
所述光学子系统通过量子通道接收光学信号，并把光学信号的信号光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由所述微波传输介质被输出给所述超导体子系统；
所述超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开所述超导体子系统的量子通道传送所述微波光子输送给所述轨道角动量分析模块。
5.如权利要求4所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述光学子系统包括NaGd(MoO4)2晶体、透镜模组、与量子通道耦接的电子器件，所述电子器件具有非线性电流-电压特性；
所述NaGd(MoO4)2晶体用于捕获信号光子；
所述透镜模组用于对信号光子进行聚集并使其在NaGd(MoO4)2晶体上与泵浦光相结合；
所述电子器件把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
6.如权利要求5所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述电子器件包含：纳米线波导、放置在波导上方的天线臂结构和纳米尺度隧道结，其中天线把光学信号的红外频率电场馈送给纳米尺度隧道结，所述纳米尺度隧道结把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
7.如权利要求4所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述超导体子系统包含具有Josephson量子位存储器件的超导传输线谐振器，所述光学子系统通过电连接接合到超导体子系统的超导传输线谐振器。
8.如权利要求1所述的一种量子存储装置，其特征在于，所述轨道角动量分析模块包括第一解调器、第二解调器；
所述第一解调器用于将所述第二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；
所述第二解调器用于将所述量子存储模块读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式。
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