CN108604038A - 电磁频率转换器 - Google Patents
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Abstract
一种电磁频率转换器，包括原子系综；电磁辐射(P、R)的一个或多个第一源(6、8)，所述电磁辐射(P、R)入射到所述原子系综上以将原子价电子从基态激发到第一里德堡态；电磁辐射(A、C)的一个或多个第二源(6、14)，所述电磁辐射(A、C)入射到所述原子系综上以将原子价电子从激发态激发到第二里德堡态；用于电磁辐射(L)的第一输入(20)和/或输出(26)，所述电磁辐射(L)从所述第一输入入射到所述原子系综上或在所述第一输出处从所述原子系综接收；以及用于电磁辐射(M)的第二输入(14)和/或输出(24)，所述电磁辐射(M)从所述第二输入入射到所述原子系综上或在所述第二输出处从所述原子系综接收。
Description
本发明涉及一种电磁频率转换器，具体涉及一种微波-光转换器。
例如，在电信、光电子和量子计算领域，人们希望将微波有效地转换成光频率(反之亦然)，以便将电磁频谱的微波和光区域相关联。微波由于其非常强的非线性耦合而方便地用于电子设备和量子信息处理系统中；而光频率方便地用于信息传输，这是因为在长距离下这种信息可以以非常高的信息密度传输，同时室温下承受的热噪声可以忽略不计(光频率是数据的良好载体)。
现有的微波-光转换器(例如基于在Λ型原子系综中的光机械转换或混频)需要使用高质量的频率选择性腔。这限制了可用于转换频率的带宽。此外，这样的设备需要强烈的冷却或光泵浦以使转换设备进入其量子基态，并且转换设备效率相当低(例如小于10％)。
本发明的目的是提供一种用于在不同电磁频率之间进行转换的经改进装置。
当从第一方面来看时，本发明提供一种用于转换输入电磁辐射以输出不同频率的电磁辐射的电磁频率转换器，电磁频率转换器包括：
原子系综；
电磁辐射的一个或多个第一源，一个或多个第一源中的每一个的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中一个或多个第一源的频率之和在600THz和1500THz之间，其中来自一个或多个第一源的电磁辐射被布置为入射在原子系综上以将原子系综中的原子价电子从基态激发到第一里德堡态；
电磁辐射的一个或多个第二源，一个或多个第二源中的每一个的频率选自原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中一个或多个第二源的频率之和在300THz和750THz之间，其中来自一个或多个第二源的电磁辐射被布置为入射在原子系综上以将原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二里德堡态，其中对于原子系综中的原子价电子，激发态通过具有在193THz和800THz之间的频率的原子跃迁而与基态相关联，并且对于原子系综中的原子价电子，第二里德堡态通过具有在300MHz和3THz之间的频率的原子跃迁而与第一里德堡态相关联；
用于具有在193THz和800THz之间的频率的电磁辐射的第一输入和/或输出，其中第一输入或输出被布置成耦合到原子系综，使得电磁辐射从第一输入入射到原子系综上或在第一输出处从原子系综接收电磁辐射；和
用于具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射的第二输入和/或输出，其中第二输入或输出被布置成耦合到原子系综，使得电磁辐射从第二输入入射到原子系综上或在第二输出处从原子系综接收电磁辐射；
其中电磁频率转换器被布置成使得在施加所述入射到原子系综上的电磁辐射的一个或多个第一源和一个或多个第二源时，具有在193THz和800THz之间的频率并且耦合到基态和激发态之间的原子跃迁的来自第一输入的电磁辐射输入或具有在300MHz和3THz之间的频率并且耦合到第一里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁的来自第二输入的电磁辐射输入分别引起来自第二里德堡态和第一里德堡态之间的原子跃迁的具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射从第二输出被输出或者来自激发态和基态之间的原子跃迁的具有在193MHz和800THz之间的频率的电磁辐射从第一输出被输出。
从第二方面来看，本发明提供一种转换输入电磁辐射以输出不同频率的电磁辐射的方法，方法包括：
通过将来自电磁辐射的一个或多个第一源的电磁辐射布置成入射到原子系综上，将原子系综中的原子价电子从基态激发到第一里德堡态，其中电磁辐射的一个或多个第一源中的每个的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，并且一个或多个第一源的频率之和在600THz和1500THz之间；
通过将来自电磁辐射的一个或多个第二源的电磁辐射布置成入射到原子系综上，将原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二里德堡态，其中对于原子系综中的原子价电子，激发态通过具有在193THz和800THz之间的频率的原子跃迁而与基态相关联，并且对于原子系综中的原子价电子，第二里德堡态通过具有在300MHz和3THz之间的频率的原子跃迁与第一里德堡态相关联，并且其中电磁辐射的一个或多个第二源中的每个的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，并且一个或多个第二源的频率之和在300THz和750THz之间；
将具有在193THz和800THz之间或在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射输入到原子系综中，使得电磁辐射入射到原子系综上；
其中原子系综被布置成使得在施加所述入射到原子系综上的电磁辐射的一个或多个第一源和一个或多个第二源时，具有在193THz和800THz之间的频率并且耦合到基态和激发态之间的原子跃迁的来自第一输入的电磁辐射输入或具有在300MHz和3THz之间的频率并且耦合到第一里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁的来自第二输入的电磁辐射输入分别引起来自第二里德堡态和第一里德堡态之间的原子跃迁的具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射或来自激发态和基态之间的原子跃迁的具有在193MHz和800THz之间的频率的电磁辐射从原子系综输出。
本发明因此提供一种用于将输入到转换器中的一个频率的电磁辐射转换为从转换器输出的不同频率的电磁辐射的变频器。转换器包括用于在不同频率之间执行转换的原子系综，其中原子系综由至少两个电磁辐射源驱动以将原子系综置于状态的(例如相干)叠加，从而执行转换，如下文中将要描述的。
原子系综被布置为来自至少两个不同源的电磁辐射入射至其上，其中每个源提供具有选自原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率中的频率的电磁辐射。一个或多个第一源输入总频率在600THz和1500THz之间的电磁辐射。一个或多个第二源输入总频率在300THz和750THz之间的电磁辐射。一个或多个第一源被布置为将原子系综中的原子价电子从其基态激发到第一高激发里德堡态。一个或多个第二源被布置成将原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二高激发里德堡态。对于原子系综中的原子价电子，激发态通过具有在193THz和800THz之间的频率的原子跃迁与基态相关联。对于原子系综中的原子价电子，第二里德堡态通过具有在300MHz和3THz之间的频率的原子跃迁与较低的第一里德堡态相关联。
利用以这种方式制备的原子系综，具有在193THz和800THz之间的频率的电磁辐射(即，光或近红外辐射)通过第一输入被输入以入射到原子系综上，或者具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射(即微波或太赫兹辐射)通过第二输入被输入以入射到原子系综上。如下文中将要描述的，入射的辐射从光频率(或近红外频率)转换为微波频率(或太赫兹频率)，反之亦然。
在光或近红外辐射(在193THz和800THz之间)通过第一输入被输入到原子系综中的情况下，光或近红外辐射耦合到原子系综中的原子价电子在基态和激发态之间的原子跃迁，即激发态是一个相对较低的激发态，通过光或近红外跃迁与基态相关联。这引起了原子系综中的原子价电子的第一里德堡态和较高的第二里德堡态之间的相应原子跃迁，进而导致微波或太赫兹辐射(在300MHz和3THz之间)通过第二输出从原子系综输出。
在微波或太赫兹辐射(在300MHz和3THz之间)通过第二输入被输入到原子系综中的情况下，微波或太赫兹辐射耦合到原子系综中的原子价电子在第一里德堡态和较高的第二里德堡态之间的原子跃迁。这引起了原子系综中的原子价电子引起基态和激发态之间的相应原子跃迁，进而导致光或近红外辐射(在193THz和800THz之间)通过第一输出从原子系综输出。
因此，可以理解的是，本发明的电磁频率转换器将原子系综的高激发里德堡态汇集(其间存在微波或太赫兹频率原子跃迁)与原子系综的较低的光原子跃迁或近红外原子跃迁相关联，以将微波或太赫兹辐射转换成光或近红外辐射(反之亦然)。里德堡态是高激发态，因而接近原子系综中的原子的电离势。这些里德堡态的价电子具有非常大的轨道，离原子核和其他非价电子非常远。因此，当以这种方式制备时，原子系综包含与微波或太赫兹辐射强烈耦合的许多(例如，相同的)大电偶极子，并因此入射微波或太赫兹辐射将很可能被里德堡态汇集中的许多原子跃迁中的一个吸收。
此外，在入射光或近红外辐射与原子系综中的原子价电子的基态和激发态之间的跃迁之间存在强烈的光偶极子耦合。因此，里德堡态中的原子和基态中的原子可以由相应的外部场(例如一个或多个例如光或近红外辐射的第二源以及一个或多个例如光或近红外辐射的第一源)驱动以将激发态与里德堡态相联系，产生大量的集体响应，从而提供了一种高效的频率转换机制。
此外，由于这些态的波函数与低电子态的波函数存在小的重叠，里德堡态的衰减率相对较小。这意味着里德堡态的生命周期相对较长并因此相干时间也相对较长，从而提高了转换效率。例如，一些里德堡态的寿命大致为10μs至100μs，这可能比低激发态的寿命长数百倍。
由于入射辐射与原子系综的微波或太赫兹以及光或近红外跃迁均存在强烈的耦合，并且里德堡态的相干时间长，因此提供了高效的频率转换机制，所以本发明的转换器不需要使用空腔，而空腔是现有转换器所必需的。由于在本发明的转换器中不需要空腔，可用于转换频率的带宽可以大得多。
此外，本发明的转换器优选不需要任何光泵浦(例如除了来自一个或多个第一源和一个或多个第二第三源的电磁辐射之外)，因为高激发里德堡态不是热填充的(例如在室温下)，所以很少有热噪声(如果有的话)需要抑制，因此不需要光泵浦来保持这些态为空。转换器也不需要任何部件的微制造，因为转换器的活跃的部分仅仅是被施加辐射的原子体积。
这与依靠低位(小的n值，其中n是主量子数)态中的低能量跃迁的现有转换器不同。这些低位态高度填充，会产生大量的热噪声。为了抑制热噪声，需要低温冷却并使用空腔来增加入射电磁辐射与正在被利用的低能量跃迁的耦合，但是如上文中所述，这减少了可用于转换频率的带宽并且将操作限制为一个单空间模式。此外，基于光机械转换的现有转换器需要微制造的部件。
电磁辐射的一个或多个第一源可以包括任何合适且希望的数量的电磁辐射源，电磁辐射源被布置为入射在原子组件上以将原子系综中的原子价电子从基态激发到第一里德堡态。此外，电磁辐射的一个或多个第一源可以被布置成入射在原子组件上，以使用经由任何数量的中间原子态的原子跃迁来将原子系综中的原子价电子从基态跃迁到第一里德堡态。优选地，电磁辐射的一个或多个第一源被布置以经由三个或更少(例如，两个或更少，优选单个)中间原子态激发原子价电子。还设想可以将任何单独的电磁辐射源布置成用于在多个不同的原子态之间激发原子价电子(即，优选具有相似频率的跃迁)。
因此，在一个优选实施方式中，电磁辐射的一个或多个第一源被布置为将原子系综中的原子价电子从基态激发到第一里德堡态，例如经由单个中间激发态，优选使得两个原子跃迁(从基态到中间激发态然后到第一里德堡态)中的每一个具有在193THz和800THz之间的频率(选自原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率)，即跃迁优选为光或近红外跃迁。
以这种方式操作电磁频率转换器(即使用电磁辐射的一个或多个第一源经由(例如单个)中间激发态(即高于基态且低于第一里德堡态的状态)将原子价电子从基态激发到到第一里德堡态)有助于减少填充第一里德堡态所花费的时间，这是由于基态与中间激发态之间的原子跃迁通常具有高强度(因此优选地，使用的中间态(以及因此一个或多个第一源的频率)优选具有到基态相对强烈的跃迁)。此外，使用经由中间激发态到第一里德堡态的该激发路径有助于在基态和第一里德堡态之间相对较快地产生相干性，这是由于中间激发态的寿命相对较短(尤其与相对较长的第一里德堡态的寿命相比)。最后，基态和中间激发态之间的原子跃迁的相对较高的强度有助于允许使用较低的电源来将原子价电子从基态激发到中间激发态。
因此，优选地，电磁辐射的一个或多个第一源包括：
电磁辐射的一个或多个第一源(但优选为(单个)第一源)，每个第一源的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中一个或多个第一源频率之和(但优选为(单个)第一源)在193THz和800THz之间，其中来自一个或多个第一源的电磁辐射被布置为入射在原子系综上以将原子系综中的原子价电子从基态激发到中间激发态；以及
电磁辐射的一个或多个第三源(但优选为(单个)第三源)，每个第三源的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中一个或多个第三源频率之和(但是优选为(单个)第三源的频率)在193THz和800THz之间，其中来自一个或多个第三源的电磁辐射被布置为入射到原子系综上以将原子系综中的原子价电子在从中间激发态激发到第一里德堡态。
因此，在该实施方式中，两个或更多个例如光或近红外原子跃迁被用于经由中间激发态(并且优选地没有其他中间态)填充第一里德堡态。
类似于上文中关于电磁辐射的一个或多个第一源所描述的，电磁辐射的一个或多个第二源可以包括任何合适的且希望的数量的电磁辐射源，电磁辐射源被布置为入射在原子组件上以将原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二里德堡态。此外，电磁辐射的一个或多个第二源可以被布置成入射在原子组件上，以使用经由任何数量的中间原子态的原子跃迁来将原子系综中的原子价电子从激发态跃迁到第二里德堡态。优选地，电磁辐射的一个或多个第二源被布置以经由三个或更少(例如，两个或更少，优选单个)中间原子态激发原子价电子。优选地，(例如单个)中间态是(第三)里德堡态。
还设想可以将任何单独的电磁辐射源布置成用于在多个不同的原子状态之间激发原子价电子(即，优选具有相似频率的跃迁)。然而，因为优选的中间原子态是(第三)里德堡态，并因此相对于接近激发态更接近于第二(更高的)里德堡态，所以优选电磁辐射的一个或多个第二源包括多个(不同的)电磁辐射源，如下文中将要解释的。
因此，在一个优选实施方式中，电磁辐射的一个或多个第二源被布置为将原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二里德堡态，例如经由单个中间(第三)里德堡态，优选使得从激发态到第三里德堡态的跃迁具有在300THz和750THz之间的频率(选自原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率)，即跃迁优选为光或近红外跃迁；以及使得从第三里德堡态到第二(更高的)里德堡态的跃迁具有在300MHz和3THz之间的频率(选自原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率)，即跃迁优选为微波跃迁或太赫兹跃迁。
以这种方式操作电磁频率转换器(即使用电磁辐射的一个或多个第二源经由(例如单个)第三里德堡态(即高于激发态且低于第二里德堡态的状态)将原子价电子从激发态激发到到第二里德堡态)有助于提供原子能级方案，尤其当还使用中间激发态时更是如此，原子能级方案包含偶数个跃迁，这因而将如在下文中描述允许使用有利的(即允许的)偶极子跃迁。
因此，优选地，电磁辐射的一个或多个第二源包括：
电磁辐射的一个或多个第二源(但优选为(单个)第二源)，每个第二源的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中一个或多个第二源频率之和(但优选为(单个)第二源)在300THz和750THz之间，其中来自一个或多个第二源的电磁辐射被布置为入射在原子系综上以将原子系综中的原子价电子从激发态激发到第三里德堡态；以及
电磁辐射的一个或多个第四源(但优选为(单个)第四源)，每个第四源的频率选自用于原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中一个或多个第四源频率之和(但是优选为(单个)第四源的频率)在300MHz和3THz之间，其中来自一个或多个第四源的电磁辐射被布置为入射到原子系综上以将原子系综中的原子价电子在从第三里德堡态激发到第二里德堡态。
因此，在该实施方式中，两个或更多个例如光或近红外以及微波和太赫兹频率的原子跃迁被用于经由中间(第三)里德堡态(并且优选地没有其他中间态)填充第二里德堡态。
原子系综可以包括任何合适的且希望的原子。在一个优选的实施方式中，原子系综包括碱金属原子(第1族元素)或碱土金属原子(第2族元素)，例如锶。碱金属原子适用于本发明的转换器，因为碱金属原子仅具有单个价电子，单个价电子围绕带正电的核旋转，并且可以被激发至里德堡态，其中这些碱金属原子中的价电子谱被很好地理解并适用于本发明的转换器。优选地，原子系综包含铷原子、铯原子或钠原子。原子系综最好只包含单一类型的原子，例如，铷原子、铯原子或钠原子。
在优选实施方式中，电磁频率转换器包括在其内保持原子系综的蒸气室。优选地，蒸气室包括对来自以下的一个或多个(并且优选全部)的电磁辐射透明的输入窗口：一个或多个第一源、一个或多个第二源、第一输入和(当提供时)一个或多个第三源，例如对193THz和1500THz之间的频率透明。因此，一个或多个第一源、一个或多个第二源、一个或多个第三源以及第一输入中的一个或多个(优选全部)被布置成引导来自它们的各自的电磁辐射通过输入窗口以使其入射在原子系综上。
优选地，蒸气室包括对来自第一输出的电磁辐射透明的输出窗口，例如，对193THz和800THz之间的频率透明。因此，优选地，第一输出被布置为通过输出窗口接收来自原子系综的电磁辐射输出。优选地，用于第一输出的输出窗口与用于以下中的一个或多个的输入窗口相对(例如位于与输入窗口基本平行的平面中)：一个或多个第一源、一个或多个第二源、一个或多个第三源、以及第一输入。
蒸气室可以包括对来自以下的一个或多个(并且优选两者)的电磁辐射透明的另一个输入窗口：第二输入和(当提供时)一个或多个第四源(例如对300MHz和3THz之间的频率是透明的)，其中一个或多个第四源和第二输入中的一个或多个(并且优选两者)被布置为引导来自它们各自的电磁辐射通过另一个输入窗口以便入射在所述原子系综上。然而，优选一个或多个第四源和第二输入中的一个或多个(并且优选为两者)被布置成将其各自的电磁辐射从其引导通过用于一个或多个的第一源、一个或多个个第二源、一个或多个第三和第一输入(中的一个或多个，优选全部)的输入窗口以便入射在原子系综上。因此，优选地，蒸气室包括对来自以下中的一个或多个(优选全部)的电磁辐射透明的输入窗口：一个或多个第一源、一个或多个第二源、一个或多个第三源、一个或多个第四源、第一输入以及第二输入，例如，对于300MHz与3THz之间以及193THz和1500THz之间(例如300MHz和1500THz之间)的频率是透明的。
蒸气室还可以包括另外的输出窗口，例如，输出窗口与输入窗口相对并且位于基本平行于另一个输入窗口的平面中，输出窗口对于来自第二输出的电磁辐射是透明的，例如，对于300MHz和3THz之间的频率是透明的，同时第二输出被布置为通过另一个输出窗口接收来自原子系综的电磁辐射。然而，优选地，第二输出被布置为通过第一输入的输出窗口从原子系综接收其电磁辐射。因此，优选地，蒸气室包括对来自以下中的一个或多个(优选地两者)的电磁辐射透明的输出窗口：第一输出和第二输出，例如，对于193THz和800THz之间以及300MHz和3THz之间(例如在300MHz和800THz之间)的频率是透明的。
一旦已经选择了一个或多个第一源、一个或多个第二源、(当提供时)一个或多个第三源和一个或多个第四源以及输入电磁辐射的特定频率，如下文中将讨论的，例如使得电磁频率转换器可以在两个特定频率之间转换，输入和/或输出窗口可以被选择为使得它们对于这些特定频率是透明的。因此，输入窗口和/或输出窗口对于所有可能的频率都透明可能不是必要的。
如已经讨论的那样，本发明的电磁频率转换器不需要空腔来操作。因此，入射电磁辐射不需要在精确(例如单个)位置输入到原子系综中以使得其与空腔准确对准。因此，优选地，电磁频率转换器被布置为空间多模式，这意味着输入辐射(来自第一输入和/或第二输入)可以在多个不同的位置处输入到原子系综中，从不同的位置处输入辐射被转换。这可以使得微波或太赫兹频率图像(例如，在二维空间上扩展)被转换成光图像或近红外图像。
此外，这意味着在电磁频率转换器的带宽内，转换器可以允许输入辐射信号(来自第一输入和/或第二输入)采取任何合适的或希望的形状。因此这允许将时间复用的信号输入到转换器中以进行转换。在一个实施方式中，待转换的输入脉冲的带宽小于原子系综中的原子价电子的激发态上的每个失谐量，激发态包括较低(第三)里德堡态和较高(第二)里德堡态(并且优选地，一个或多个第二源和一个或多个第四源的功率被布置为能够实现这一点)。例如，优选地，电磁频率转换器被布置成为大于100MHz(例如，大于1GHz)的输入微波或太赫兹辐射提供带宽。
优选地，电磁频率转换器包括与蒸气室良好地热连通并且布置成加热原子系综的加热器(例如，蒸气室可以包括集成的加热器)。加热原子系综有助于使原子系综的原子汽化，使得它们可以吸收入射辐射并发射转换的辐射。如果原子系综被加热，则可能必须克服原子系综的跃迁的(例如，最小化的)多普勒展宽。跃迁的多普勒展宽可以以任何合适的和希望的方式最小化，例如，使用冷原子(例如激光冷却)，或电磁频率转换器的几何形状可以被布置成克服多普勒展宽的影响。优选地，跃迁的多普勒宽度小于跃迁的失谐量，例如，对于原子系综中的原子价电子的激发态的跃迁、较低(第三)里德堡态和较高(第二)里德堡态而言。
在另一个实施方式中，电磁频率转换器包括低温恒温器，其中原子系综被包含在低温恒温器内。这有助于减少在微波或太赫兹频率范围内以及因此在微波或太赫兹输入和/或输出中产生热噪声的黑体辐射。
电磁辐射的一个或多个第一源、电磁辐射的一个或多个第二源和(当提供时)电磁辐射的一个或多个第三源(例如光源或近红外辐射源)可以以任何合适的和希望的方式提供。在优选实施方式中，电磁辐射的一个或多个第一源、一个或多个第二源、和一个或多个第三源中的一个或多个(并优选全部)包括激光器。因此，在特别优选的实施方式中，激光器被布置为将其各自的电磁辐射引导通过蒸气室的输入窗口(其对于这些电磁辐射源是透明的)以入射到蒸气室内的原子系综上。
(当提供时)电磁辐射的一个或多个第四源(例如微波或太赫兹辐射源)可以以任何合适的和希望的方式提供。在一个优选实施方式中，电磁辐射的一个或多个第四源包括微波或太赫兹辐射发生器和波导，波导被布置成将由微波或太赫兹辐射发生器产生的微波或太赫兹辐射耦合到原子系综，使得微波或太赫兹辐射入射到原子系综上。因此，在特别优选的实施方式中，波导被布置成引导来自微波或太赫兹辐射发生器的电磁辐射通过蒸气室的输入窗口(其对于一个或多个第四源透明)入射到蒸气室内的原子系综上。
在一个优选的实施方式中，(当提供以下时)一个或多个第一源、一个或多个第二源、一个或多个第三源、一个或多个第四源、第一输入、和第二输入中的一个或多个(并且优选全部)被布置成将它们各自的电磁辐射沿平行方向(例如，优选共线)引导到原子系综中。这最大化了由各种电磁辐射源和输入(特别是由于它们的波长较短而引起的光电磁辐射源和近红外电磁辐射源和输入)所照射的原子系综中的重叠体积，并且因此最大化了可用于执行频率转换的体积(以及因此最大化了其中的原子数量)，从而最大化了转换器的效率。
(当提供时)用于电磁辐射(即，光或近红外输入)的第一输入可以耦合到原子系综，使得电磁辐射被布置为从第一输入入射到原子系综上，以任何合适的和希望的方式。例如，第一输入可以包括用于传输电磁辐射的光纤和用于将电磁辐射聚集到原子系综上的一个或多个透镜和/或镜子中的一个或多个。因此，在一个特别优选的实施方式中，第一输入被布置为引导输入电磁辐射穿过蒸气室的输入窗口(其对于来自第一输入的电磁辐射的频率透明)，例如，至少与用于一个或多个第一电磁辐射源、一个或多个第二电磁辐射源、一个或多个第三电磁辐射源和/或电磁辐射的一个或多个第四源以使电磁辐射入射到蒸气室内的原子系综上的输入窗口相同。
(当提供时)用于电磁辐射(即，光或近红外输入)的第一输出可以被耦合到原子系综，使得电磁辐射被布置成在第一输出处从原子系综接收，以任何合适的和希望的方式。例如，第一输出可以包括用于传输电磁辐射的一个或多个光纤和用于收集从原子系综输出的电磁辐射(例如，用于将输出电磁辐射引导到光纤中)的一个或多个透镜和/或镜子。因此，在一个特别优选的实施方式中，第一输出耦合到蒸气室的输出窗口(其对第一输出的电磁辐射的频率透明)，其中用于电磁辐射的第一输出被布置成通过输出窗口接收原子系综的电磁辐射。
(当提供时)用于电磁辐射(即，微波输入或太赫兹输入)的第二输出可以被耦合到原子系综，使得电磁辐射从第二输出入射到原子系综上，以任何合适的和希望的方式。在一个优选的实施方式中，第二输出包括被布置成将微波或太赫兹辐射耦合到原子系综的波导(例如，优选与用于电磁辐射的一个或多个第四源的波导相同的波导，当提供时)，使得微波或太赫兹辐射入射在原子系综上。因此，在一个特别优选的实施方式中，波导被布置成引导来自微波或太赫兹辐射源的电磁辐射通过蒸气室的输入窗口(其对来自第二输入的电磁辐射的频率透明)输入到蒸气室内的原子系综上。
(当提供时)用于电磁辐射(即，微波输入或太赫兹输入)的第二输出可以被耦合到原子系综，使得电磁辐射从第二输出入射到原子系综上，使得电磁辐射被布置成在第二输出处从原子系综接收，以任何合适的和希望的方式。在一个优选的实施方式中，第二输出包括被布置成收集来自原子系综的微波或太赫兹辐射输出的波导。因此，在一个特别优选的实施方式中，波导耦合到蒸气室的输出窗口(其对第二输出的电磁辐射的频率透明)。其中波导被布置成通过输出窗口收集来自原子系综的电磁辐射输出。
用于耦合到电磁辐射的多种源和输入以执行电磁频率转换的原子系综中的原子价电子的原子跃迁可以是任何合适的和希望的原子跃迁。在一个优选的实施方式中，原子价电子的一个或多个(但优选全部)原子跃迁是电偶极跃迁。电偶极子跃迁与电磁辐射的耦合比磁偶极子跃迁与电磁辐射的耦合更强烈，例如在Λ型原子系综中所使用的那样，并且因此使本发明的电磁频率转换器更高效(并且再次有助于其避免必须使用空腔)。
在一个实施方式中，原子价电子的原子跃迁中的一个或多个(但优选全部)是从轨道角动量量子数为1的电子子壳层到的轨道角动量量子数为0的电子子壳层的跃迁，即P到S的跃迁，这是偶极允许的跃迁的一个特例。由于选择规则，这些是特别有利的电偶极子跃迁，并因此它们与电磁辐射的耦合比不同轨道角动量量子数的电子子壳层之间的跃迁与电磁辐射的耦合更强烈。
通过第一输入激发而从基态到达的原子系综中的价电子的激发态的主量子数与基态的主量子数的差优选小于或等于4，例如0、1、2或3(最优选激发态和基态具有相同的主量子数)。可替代地，优选激发态和基态之间的跃迁是光或近红外跃迁，即具有193THz和800THz之间的跃迁频率。在一个优选的实施方式中，第一输入的频率以及因此基态和激发态之间的跃迁的频率在375THz和500THz之间。
类似地，当使用中间激发态时，通过第一源激发而从基态到达的原子系综中的价电子的中间激发态的主量子数与基态的主量子数的差优选小于或等于4，例如0、1、2或3(最优选中间激发态和基态具有相同的主量子数)。可替代地，优选中间激发态和基态之间的跃迁是光或近红外跃迁，即具有193THz和800THz之间的频率的跃迁。在一个优选实施方式中，一个或多个第一源(当在基态和中间激发态之间激发原子价电子时)的频率之和在375THz和500THz之间，例如，优选地，该原子跃迁的(单个)第一源的频率在375THz和500THz之间。
在一个实施方式中，通过一个或多个第一源激发到达的原子系综中的价电子的中间激发态(当提供时)和原子系综中的价电子的激发态和通过第一输入激发到达的原子系综中的价电子的中间激发态具有相同的主量子数(并且优选也具有相同的轨道角动量量子数)，但是包括不同的超精细态，例如优选中间激发态和激发态是不同的原子态。
在一个实施方式中，原子系综中的价电子的基态与激发态之间以及(当提供时)基态与中间激发态之间的跃迁(耦合到来自(当分别提供时)第一输入和一个或多个的第一源的入射电磁辐射)是(至少一个)D线跃迁。因此，在特别优选的实施方式中，这些跃迁是铷中的5S到5P跃迁(例如5S1/2到5P3/2和/或5S1/2到5P1/2跃迁)和/或铯中的6S到6P跃迁(例如6S1/2到6P3/2和/或6S1/2到6P1/2跃迁)和/或钠中的3S到3P跃迁(例如3S1/2到3P3/2和/或3S1/2到3P1/2跃迁)。
在一个实施方式中，涉及原子系综中的价电子的基态或(当提供时)中间激发态与第一里德堡态之间、以及激发态和第二里德堡态之间、以及中间第三里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁(其分别耦合到来自一个或多个第一源、(当提供时)一个或多个第三源、一个或多个第二源、以及(当提供时)一个或多个第四源)的第一里德堡态、第二里德堡态、以及(当使用时)第三里德堡态(其中第二里德堡态高于第一里德堡态)的主量子数在20和80之间，例如在30和70之间，例如在40和60之间。
优选地，第一里德堡态、第二里德堡态和(当提供时)第三里德堡态中的每个在原子系综中的原子价电子的电离势的5％以内。优选地，分别通过第二输入和(当提供时)一个或多个第四源激发从第一和/或(当提供时)中间第三里德堡态到达的原子系综中的价电子的第二里德堡态的主量子数与第一和/或第三里德堡态的主量子数的差值优选小于或等于60，例如小于30，例如小于10，例如小于5(在一个实施方式中，第一、第二和第三里德堡态都具有相同的主量子数)。
可替代地，优选第一里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁以及(当提供时)第三里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁是微波跃迁或太赫兹跃迁，即具有300MHz和3THz之间的频率。在一个优选的实施方式中，第二输入的频率以及因此第一里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁频率在1GHz和1.5THz之间，例如，在2GHz和1THz之间。在一个的优选实施方式中，(当提供时)一个或多个第四源(以及在第三里德堡态和第二里德堡态之间激发的原子价电子)的频率之和在1GHz和1.5THz之间，例如，在2GHz和1THz之间，例如优选地，该原子跃迁的(单个)第四源的频率在1GHz和1.5THz之间，例如，在2GHz和1THz之间。
在一个实施方式中，第一里德堡态和第二里德堡态具有相同的主量子数，但包括不同的轨道角动量量子数和/或方位角量子数。在另一个实施方式中，第二里德堡态和第三里德堡态具有相同的主量子数，但包括不同的轨道角动量量子数和/或方位角量子数。在又一个实施方式中，第一里德堡态和第三里德堡态具有相同的主量子数和相同的轨道角动量量子数，但包括不同的方位角量子数。
如人们将认识到的，原子系综的紧密分离的里德堡态流形在第一和第三里德堡态与第二里德堡态之间提供了大量不同的跃迁，第二里德堡态可以被用于本发明中的电磁频率转换器，例如，第一、第二和第三里德堡态中的每一个可以选自该流形的多个里德堡态之一。因此，可用的大量不同的跃迁提供了大量不同的微波或太赫兹频率，可用于从微波或太赫兹频率转换或转换到微波或太赫兹频率。因此，尽管被布置为从一个或多个第一源、一个或多个第二源以及(当提供时)一个或多个第三源和一个或多个第四源入射到原子系综上的电磁辐射的频率可以被选择为任何合适的和希望的频率，优选将被布置为从一个或多个第一源、一个或多个第二源以及(当提供时)一个或多个第三源和一个或多个第四源入射到原子系综上的电磁辐射的频率选择为将原子系综的原子价电子激发成第一、第二和第三里德堡态，第一、第二和第三里德堡态在它们之间具有与待输入的微波或太赫兹辐射频率和/或将输出的希望的微波或太赫兹辐射频率(大致)匹配的跃迁。
如人们将理解的，入射在原子系综上的(当提供时)来自一个或多个第三源的电磁辐射的频率之和与来自一个或多个第二源的电磁辐射的频率优选彼此接近(这是由于它们将激发态(其包括激发态和中间激发态，其优选彼此能量接近)与(较低)第一里德堡态和第三里德堡态(其也优选彼此接近)二者相关联)。因此，在一个实施方式中，当一个或多个第三源是电磁辐射的单个第三源并且当一个或多个第四源是电磁辐射的单个第四源时，电磁频率转换器包括频移器，频移器被布置为接收来自公共源(例如，激光器)的电磁辐射的一部分(例如，大致一半)并输出具有相对于公共源的频率偏移的频率以形成第三源的电磁辐射以及来自形成第四源的公共源的剩余部分电磁辐射(反之亦然)。
被布置为从第一输入入射到原子系综上的电磁辐射的频率可以被选择为任何合适的和希望的频率。然而，与原子系综中紧密分离的里德堡态流形中大量可用的跃迁不同，低光学态相对稀疏，因此在用于电磁频率变换器中可供选择的跃迁更少。因此，优选原子系综的原子被选择为具有与待从第一输入所输入的光或近红外辐射频率和/或将通过第一输出从原子系综输出的希望的光或近红外辐射频率(大致)匹配的合适的原子跃迁。相应地，当使用中间激发态时，优选电磁辐射的一个或多个第一源的(总)频率被选择为与原子系综的合适原子跃迁(大致)匹配。
例如，如果原子系综包括钠原子，则优选被布置为从第一源入射到原子系综上(以将原子价电子激发到中间激发态)或从第一输入入射到原子系综上(以将原子价电子激发到激发态)的电磁辐射的频率大致为509THz(对应于大致589nm的波长)或约508THz(对应于大致590nm的波长)(对应于3S到3P跃迁)。如果原子系综包括铷原子，则优选被布置为从第一源入射到原子系综上(以将原子价电子激发到中间激发态)或从第一输入入射到原子系综上(以将原子价电子激发到激发态)的电磁辐射的频率大致为384THz(对应于大致780nm的波长)或约377THz(对应于大致795nm的波长)(对应于5S到5P跃迁)。如果原子系综包括铯原子，则优选被布置为从第一源入射到原子系综上(以将原子价电子激发到中间激发态)或从第一输入入射到原子系综上(以将原子价电子激发到激发态)的电磁辐射的频率大致为352THz(对应于大致852nm的波长)或约335THz(对应于大致895nm的波长)(对应于6S到6P跃迁)。
来自电磁辐射的多种源的电磁辐射可以被布置为入射在原子系综上，使得获得里德堡态中的任何合适的和希望的原子密度，例如根据从每个源各自入射到原子系综上的辐射的强度。里德堡态的原子系综中的原子密度(当来自多种源的电磁辐射入射到原子系综上时)优选小于1010cm-3(类比于原子系综中所有原子的密度优选小于1013cm-3)。这些相对较低的密度有助于最小化里德堡态的原子之间的相互作用(里德堡态原子的相互作用长度为毫米到厘米级)。可替代地表达，优选里德堡态的原子系综中的原子(当来自多种源的电磁辐射入射在原子系综上时)形成原子系综中大致0.1％的原子。
原子系综中的原子的密度(总数)和原子系综的尺寸可以以任何合适的和希望的方式来选择。(如上所述，原子系综中所有原子的密度优选小于1013cm-3)。然而，由于电磁频率转换器可以用于将来自第一输入的光频率辐射或近红外频率辐射转换成微波或太赫兹辐射，或者将来自第二输入的微波或太赫兹辐射转换成光频率辐射或近红外频率辐射，因此人们将理解的是，如果例如光频率辐射或近红外频率辐射从第一输入被输入到原子系综中以被转换成微波或太赫兹辐射，则由转换产生的任何微波或太赫兹辐射被转换回光频率辐射或近红外频率辐射的概率是有限的(反之亦然)，这取决于原子系综的深度和密度。因此，一旦选择了原子系综中的原子密度和/或原子系综的尺寸，则被布置为入射在原子系综上的电磁辐射的多种源的强度(即驱动功率)将被调谐，以将电磁频率转换器调谐到想要的转换量。
如上所述，优选地，选择将用于原子系综中的原子状态和跃迁，使得电磁辐射的多种源以及第一或第二输入电磁辐射的频率接近原子系综中的原子价电子各自的合适跃迁频率，例如频率对于跃迁是近谐振的(这可以可替代地表达为输入电磁辐射的频率与跃迁的谐振频率的差值远小于跃迁本身的谐振频率)。这种近谐振的条件有助于确保原子系综的其他原子态可以被忽略。
然而，申请人已经认识到，协调来自多种源和第一或第二输入的电磁辐射的频率可能有助于提高电磁频率转换器的效率。因此，在一个优选的实施方式中，电磁辐射的一个或多个第一源，例如，电磁辐射的一个或多个第一和源一个或多个第三源的频率与用于将原子价电子从基态激发到第一里德堡态的一个或多个原子跃迁谐振，例如，一个或多个第一源包括与朝向中间激发态的(优选基态和中间激发态之间的)原子跃迁谐振的源(优选(单一)第一源)，一个或多个第三源包括与朝向第一里德堡态的(优选中间激发态和第一里德堡态之间的)原子跃迁谐振的源(优选(单一)第三源)。
优选地，一个或多个第一源中的每个的频率与相应原子跃迁频率之间的频率差比一个或多个第一源中的每个的拉比(Rabi)频率小，例如，优选地，(单个)第一源的频率与基态与中间激发态之间的原子跃迁频率的频率差比第一源拉比频率小。优选地，一个或多个第三源中的每个的频率与相应的原子跃迁频率的频率差比一个或多个第三源中的每个的相应拉比频率小，例如，优选地，(单个)第三源的频率与中间激发态与第一里德堡态之间的原子跃迁频率的频率差比第三源的拉比频率小。
此外，在一个优选的实施方式中，以下中的一个或多个(优选全部)：电磁辐射的第一输入/输出、第二输入/输出和一个或多个第二源(例如电磁辐射的一个或多个第二源和一个或多个第四源)的频率被选择为使得用于基态和激发态之间、激发态和第二或第三里德堡态之间、第三里德堡态和第二里德堡态、以及第一里德堡态和第二里德堡态之间的一个或多个原子跃迁与各自的原子态谐振失调(但优选失谐不大于可以使单个的源和/或输入或输出分别达到的相应跃迁的量)。
这些跃迁的失谐实现了量子干涉效应，其中原子系综对于输入电磁辐射几乎是透明的，同时在输出跃迁上产生原子相干性。以这种方式，(第一或第二)输入电磁辐射可以被相干地转换成(第二或第一)输出电磁辐射。因此，优选原子系综对于(第一或第二)输入电磁辐射几乎是透明的，但是在对应于(第二或第一)输出电磁辐射的原子跃迁上产生原子相干性。
在一个实施方式中，(微波或太赫兹频率辐射的)第二输入优选与第二里德堡态的谐振失谐，并且优选第二输入的频率与原子系综的价电子的第一和第二里德堡态之间的原子跃迁频率的差值远小于第一和第二里德堡态之间的跃迁频率本身。在另一个实施方式中，(光频率辐射或近红外频率辐射的)第一输入优选与激发态的谐振失谐，并且优选第一输入的频率与原子系综的价电子的基态和激发态之间的原子跃迁频率的差值远小于基态和激发态之间的跃迁频率本身。
被布置为从一个或多个第一源、一个或多个第二源和(当提供时)一个或多个第三源和一个或多个第四源入射到原子系综上的电磁辐射的频率可以被选择为任何合适的和想要的频率，使得输入电磁辐射被转换为输出电磁辐射。然而，在一个实施方式中，电磁频率转换器包括(单个)第一源、(单个)第二源、(单个)第三源和(单个)第四源，优选来自第一源、第二源、第三源和第四源的电磁辐射的频率和强度满足以下条件：
以及
|Ω3|＞＞|Ω1|，
其中Ω1是来自第一源的电磁辐射的拉比频率，Ω2是来自第二源的电磁辐射的拉比频率，Ω3是来自第三源的电磁辐射的拉比频率，Ω4是来自第四源的电磁辐射，Δ4-Δ5是来自第四源的电磁辐射与第三里德堡态和第二里德堡态之间的原子跃迁的失谐量，并且Δ5-Δ6是来自第二源的电磁辐射与第三里德堡态和激发态之间的原子跃迁的失谐量。这些条件有助于实现输入电磁辐射到输出电磁辐射的有效转换，例如，通过使得在原子系综对来自第一输入和/或第二输入的入射电磁辐射几乎透明处产生量子干涉效应，同时分别在用于第二输出和/或第一输出的原子跃迁上产生相干性。
本发明的电磁频率变换器既适用于经典量子态又适用于非经典量子态的电磁辐射的转换。如果电磁频率转换器用于量子电磁辐射的转换，例如用于将在量子计算机中使用的微波处理信号转换成用于传输的光信号(反之亦然)，优选地，电磁频率转换器被布置成相干地(即相位相干地)将输入电磁辐射转换为输出电磁辐射。电磁辐射的这种相干转换有助于保持量子态。
为了帮助实现输入电磁辐射到输出电磁辐射的相干转换，以及以上讨论的优选条件，例如，比激发态和(当提供时)中间激发状态的寿命长得多的里德堡态的寿命，优选地，多种源、输入和输出被布置为使得从基态到第二里德堡态的原子跃迁的两侧的频率大致相等(并且例如因此总和为闭环)，即，优选地，电磁辐射的一个或多个第一源的频率(例如，电磁辐射的一个或多个第一源和一个或更多电磁辐射第三源的频率)与第二输入或输出的频率之和大致等于一个或多个个第二电磁辐射源的频率(例如，一个或多个第二源和一个或多个第四源)和第一输出或输入的频率之和。
而且，优选地，各种源、输入和输出被布置为使得它们是相位匹配的，即，优选地，电磁辐射的一个或多个第一源(例如，一个或多个第一源和一个或多个第三源的频率)、电磁辐射的一个或多个第二源(例如，一个或多个第二源和一个或多个第四源的频率)、第一输入或输出以及第二输出或输入的波矢量之和大致等于零。另外，优选地，电磁辐射的一个或多个第一源(例如，一个或多个第一源和一个或多个第三源的波矢量)和第二输出或输入的波矢量的波矢量之和大致等于一个或多个第二电磁辐射源(例如，一个或多个第二源和一个或多个第四源的波向量)和第一输入或输出的波向量的波矢量之和。
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施方式，其中：
图1是示出根据本发明实施方式的电磁频率转换器的示意图；
图2示出了在根据本发明实施方式的电磁频率转换器中使用的原子能级方案；
图3示出了在根据本发明实施方式的电磁频率转换器中使用的原子能级方案的一个具体示例；
图4a和图4b示出了根据图3所示的原子能级方案操作的电磁频率转换器的实施方式中的输入电磁辐射频率的强度的模拟图；
图5示出了在根据本发明实施方式的电磁频率转换器中使用的原子能级方案的另一个具体示例；以及
图6a和图6b示出了根据图3所示的原子能级方案操作的电磁频率转换器的实施方式中的输入电磁辐射频率的强度的模拟图。
现在将描述电磁频率转换器的一个优选的实施方式，其允许将光频率输入或近红外频率输入转换为微波或太赫兹频率输出以及进行相反的转换。这样的转换器有许多用途，例如，用于电信、光电子和量子计算领域。
图1是示出根据本发明实施方式的电磁频率转换器1的示意图。电磁频率转换器1包括含有(例如，铷原子、铯原子或钠原子的)原子系综4的蒸气室2。蒸气室2包括使原子系综4的原子汽化的加热器(未示出)。在一个实施方式中，蒸气室2是直径大致1cm和长度大致2cm的圆筒。
电磁频率转换器1还包括第一和第二激光器6、8，第一和第二激光器6、8用作入射在蒸气室2内的原子系综4上的光或近红外辐射A、P的源。蒸气室2具有位于一端的窗口10，窗口10对来自激光器6、8的光或近红外辐射A、P的频率透明，激光器6、8被布置成将它们的光或近红外辐射A、P引导通过窗口10到蒸气室2中，以便入射在原子系综4上。
来自第一激光器6的光或近红外辐射A的一半与剩余的激光束分离并且被引导通过移频器12以使得光或近红外辐射的频率偏移，然后具有偏移频率R的光或近红外辐射被引导通过蒸气室2的窗口10以入射到原子系综4上。
电磁频率转换器1还包括微波或太赫兹辐射发生器14，微波或太赫兹辐射发生器14用作入射到蒸气室2内的原子系综4上的微波或太赫兹辐射C的源。蒸气室2在一端具有窗口16，窗口16放置成与用于光或近红外辐射A、R、P的窗口10垂直，窗口16对来自微波或太赫兹辐射发生器14的微波或太赫兹辐射C的频率是透明的。波导18用于传输来自微波或太赫兹辐射发生器14的微波或太赫兹辐射C，并且将微波或太赫兹辐射C引导通过窗口16到蒸汽室2中，以入射到原子系综4上。
电磁频率转换器1还包括光或近红外辐射输入20，光或近红外辐射输入20被布置成通过对光或近红外辐射透明的窗口10将光或近红外辐射L输入到蒸气室2中以使其入射到原子系综4上。电磁频率转换器1还包括微波或太赫兹辐射输入22，微波或太赫兹辐射输入22被布置为通过对微波或太赫兹辐射透明的窗口16将微波或太赫兹辐射M输入到蒸气室2中以使其入射在原子系综4上。
电磁频率转换器1还包括微波或太赫兹辐射输出24和光或近红外辐射输出26。微波或太赫兹辐射输出24被布置成通过窗口28和波导30接收从蒸气室2中的原子系综4输出的微波或太赫兹辐射。蒸气室2中的输出窗口28对于从蒸气室2内的原子系综4输出的微波或太赫兹辐射的频率是透明的，并且被布置在蒸气室2的与用于微波或太赫兹辐射的输入窗口16相对的一侧上。
光或近红外辐射输出26被布置为接收通过窗口32从蒸气室2中的原子系综4输出的光或近红外辐射。蒸气室2中的输出窗口32是对从蒸气室2内的原子系综4输出的光或近红外辐射的频率是透明的，并且被布置在蒸气室2的与用于光或近红外辐射的输入窗口10相对的一侧上。
图1所示的电磁频率转换器1的实施方式能够以两种主要操作模式操作：将微波或太赫兹辐射转换为光或近红外辐射以及进行相反的转换。现在将参考图1和图2来描述这两种操作模式。图2是在电磁频率转换器1中使用的原子能级方案。
在这两种操作模式中，在蒸气室2中制备原子系综4并且加热器被通电以汽化原子系综4的原子。第一和第二激光器6、8被通电，其中来自第一激光器6的光或近红外辐射的一部分(例如一半)与激光束的其余部分分开并且被引导通过频移器12以使光或近红外辐射的频率偏移。来自第一和第二激光器6、8以及频移器12的光或近红外辐射A、R、P被引导通过蒸气室2的输入窗口10以入射在原子系综4上。
来自第二激光器8的光或近红外辐射P(具有拉比频率ΩP)通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从其基态|1>激发到中间激发态|2>。来自第二激光器8的光或近红外辐射P的频率被选择为与从基态|1>到中间激发态|2>的原子跃迁谐振。
来自第一激光器6的经偏移的光或近红外辐射R(具有拉比频率ΩR)通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从其中间激发态|2>激发到经高度激发的第一里德堡态|3>。来自第一激光器6的经偏移的光或近红外辐射R的频率被选择为与从中间激发态|2>到第一里德堡态|3>的原子跃迁谐振。
相似地，来自第一激光器6的光或近红外辐射A(具有拉比频率ΩA)通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从另一激发态|6>激发到另一经高度激发的第三里德堡态|5>。来自第一激光器6的光或近红外辐射A的频率被选择为与从激发态|6>到第三里德堡态|5>的原子跃迁以Δ5-Δ6的量失谐。
微波或太赫兹辐射发生器14也被通电以产生微波或太赫兹辐射C，微波或太赫兹辐射C沿着波导18被引导并通过蒸气室2的输入窗口16，以便同样入射在原子系综4上。该微波或太赫兹辐射C(具有拉比频率ΩC)通过电偶极子跃迁将原子价电子从第三里德堡态|5>激发至更高的第二里德堡态|4>。微波或太赫兹辐射C的频率被选择为与从第三里德堡态|5>到第二里德堡态|4>的原子跃迁以Δ4-Δ5的量失谐。
光或近红外辐射A、R、P的三个源和微波或太赫兹辐射C的源入射到蒸气室2中的原子系综4上，然后输入电磁辐射可以被输入到原子系综4以进行转换。分别来自第一和第二激光器6、8的谐振光或近红外辐射R、P(分别具有拉比频率ΩR和ΩP)通过相干布局捕获在跃迁上产生相干性。
如果正在使用电磁频率转换器1以将微波或太赫兹辐射转换成光或近红外辐射，则微波或太赫兹辐射M(具有拉比频率ΩM)从微波或太赫兹输入22被输入并沿着波导18被引导并通过蒸气室2的输入窗口16以入射到原子系综4上。在入射到原子系综4上时，微波或太赫兹辐射M耦合到里德堡态|3>和|4>之间的电偶极子跃迁，其中输入的微波或太赫兹辐射M的频率与跃迁以Δ4的量失谐。
当输入微波或太赫兹辐射M时，这在光或近红外频率跃迁上产生相干性，但在微波或太赫兹频率跃迁(其通过量子干涉被抑制)上不产生相干性。结果，输入微波或太赫兹辐射M被转换成光或近红外辐射(具有拉比频率ΩL)。然后该光或近红外辐射从原子系综4通过蒸气室2中的输出窗口32输出，输出窗口32对于光或近红外辐射的频率是透明的，其中光或近红外辐射被光或近红外辐射输出26接收。
如果正在使用电磁频率转换器1以将光或近红外辐射转换成微波或太赫兹辐射，则光或近红外辐射L(具有拉比频率ΩL)从光或近红外输入20被输入并被引导通过蒸气室2的输入窗口10(其对于这种频率的辐射是透明的)，以入射到原子系综4上。在入射到原子系综4上时，光或近红外辐射L耦合到基态|1>和激发|6>之间的电偶极子跃迁，其中输入光或近红外辐射L的频率与跃迁以Δ6的量失谐。
当输入光或近红外辐射L时，这在微波或太赫兹频率跃迁上产生相干性，但在光或近红外频率跃迁(其通过量子干涉被抑制)上不产生相干性。结果，输入光或近红外辐射L被转换成微波或太赫兹辐射(具有拉比频率ΩM)。然后该微波或太赫兹辐射从原子系综4通过蒸气室2中的输出窗口28输出，输出窗口28对于微波或近太赫兹辐射的频率是透明的，其中微波或太赫兹辐射通过输出波导30被微波或太赫兹辐射输出24接收。
如上所述，尽管光或近红外辐射P、R的源的频率与各自的原子跃迁谐振，但输入光学或近红外辐射L、或输入微波或太赫兹辐射M、光或近红外辐射A的源、以及光或近红外辐射C的源与它们各自的原子跃迁失谐。
为了使入射辐射的转换效率最大化，优选满足拉比频率和失谐参数之间的以下条件：
以及
|ΩR|＞＞|ΩP|，
其中ΩC、ΩA、ΩR和ΩP是电磁辐射C、A、R和P的相应源的拉比频率，Δ4是输入微波或太赫兹辐射M的频率与跃迁的失谐量，Δ6是输入光或近红外辐射L的频率与跃迁的失谐量，Δ4-Δ5是微波或太赫兹辐射C的频率与从第三里德堡态|5>到第二里德堡态|4>的原子跃迁的失谐量，以及Δ5-Δ6是光或近红外辐射A与从激发态|6>到第三里德堡态|5>的原子跃迁的失谐量。
这些失谐条件能够实现量子干涉效应，其中原子系综对于输入电磁辐射几乎是透明的，同时在产生输出电磁辐射的跃迁上产生相干性。如果严重违背这些条件，则输入电磁辐射在原子系综中经历散射或吸收，并且可能不会被转换到输出场。为了使转换效率最大化，失谐中的容差与输入电磁辐射的允许带宽相似。
图3示出当蒸气室包含铷原子的原子系综时在根据本发明的实施方式的电磁频率转换器中使用的原子能级方案的具体示例。
现在将描述可以根据图1所示的设置来布置的该实施方式的操作。类似于参考图1和图2描述的实施方式，图3所示的实施方式能够以两种主要操作模式操作：将微波辐射转换成近红外辐射以及进行相反的转换。现在将参考图1和3描述这两种操作模式。
在这两种操作模式中，在蒸气室2中制备铷原子的原子系综4，并且加热器被通电以使原子系综4的铷原子汽化。第一激光器6具有大致625THz的频率并被通电，并且其输出辐射的一部分(具有大约531mW/mm2的强度)与激光束的其余部分分离并且被引导通过频移器12以使其频率偏移到大致632THz。来自第一激光器6的剩余的625THz辐射A(其具有大约455mW/mm2的强度)和632THz辐射R被引导通过蒸气室2的输入窗口10，以入射到铷原子系综4上。
来自第二激光器8的具有大致377THz的频率和大致2.3μW/mm2的强度的电磁辐射P也被引导通过蒸气室2的输入窗口10，以入射到铷原子系综4上。
来自第二激光器8的377THz辐射P通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从其5S1/2基态激发至中间5P1/2激发态。377THz辐射P与从5S1/2基态到中间5P1/2激发态的原子跃迁谐振。
来自第一激光器6的经偏移的632THz辐射R通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从其中间5P1/2激发态激发成经高度激发的30S1/2第一里德堡态。632THz辐射R与从中间5P1/2激发态到30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级的原子跃迁谐振。
相似地，来自第一激光器6的625THz辐射A通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从5P3/2激发态激发到经激发的30S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级。625THz辐射A与从5P3/2激发态到经激发的30S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级的原子跃迁失谐36MHz。
微波辐射发生器14也被通电以产生具有大致157GHz的频率和239nW/mm2的强度的微波辐射C，微波辐射C沿着波导18被引导并通过蒸气室2的输入窗口16以入射到原子系综4上。该157GHz辐射C通过电偶极子跃迁将原子价电子从经激发的30S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级激发到更高的30P1/2第二里德堡态。在跃迁的每一端，157GHz辐射C与从经激发的30S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级到30P1/2第二里德堡态的原子跃迁失谐48MHz。
377THz辐射P、632THz辐射R、625THz辐射A和157GHz辐射C入射在蒸气室2中的铷原子系综4上，然后输入电磁辐射可以被输入到原子系综4上以进行转换。分别来自第一和第二激光器6、8的377THz辐射P和632THz辐射R通过相干布局捕获在5S1/2基态和30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级之间的跃迁产生相干性。
如果电磁频率转换器1正被用于将微波辐射转换成近红外辐射，则微波辐射M(频率为大致157GHz的)从微波输入22输入并且沿着波导18被引导并通过蒸气室2的输入窗口16以入射到原子系综4上。在入射到原子系综4上时，微波辐射M耦合到30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级与30P1/2第二里德堡态之间的点偶极子跃迁(微波辐射M与其失谐48MHz)。
当157GHz微波辐射M被输入时，这在5P3/2激发态和5S1/2基态之间的近红外频率跃迁上产生相干性，但是在30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级和30P1/2第二里德堡态之间的微波频率跃迁上不产生相干性(其通过量子干涉被抑制)。结果，输入157GHz微波辐射M被转换成近红外辐射(其频率为大致384THz，并与5P3/2激发态和5S1/2基态之间的跃迁失谐12MHz)。然后，该384THz近红外辐射通过蒸气室2中的输出窗口32从原子系综4输出，输出窗口32对于384THz近红外辐射是透明的，其中384THz近红外辐射被近红外辐射输出26接收。
如果电磁频率转换器1正被用于将近红外辐射转换成微波辐射，则384THz近红外辐射L从光输入20输入并被引导通过蒸气室2的输入窗口10(其对此频率的辐射透明)以入射到原子系综4上。在入射到原子系综4上时，384THz辐射L耦合到5P3/2激发态和5S1/2基态之间的电偶极子跃迁，其中384THz输入辐射L的频率与该跃迁失谐12MHz。
当384THz辐射L被输入时，这在30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级和30P1/2第二里德堡态之间的微波跃迁上产生相干性，但是在5P3/2激发态和5S1/2基态之间的384THz光学跃迁上不产生相干性(其通过量子干涉被抑制)。结果，输入384THz辐射L被转换成微波辐射(其频率大致为157GHz，并与30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级和30P1/2第二里德堡态之间的跃迁失谐48MHz)。然后该157GHz微波辐射从原子系综4通过蒸气室2中的输出窗口28输出，输出窗口28对157GHz微波辐射的频率透明，其中157GHz微波辐射通过输出波导30被微波辐射输出24接收。
图4和图4b示出了根据图3所示的原子能级方案操作的电磁频率转换器的实施方式中的输入电磁辐射频率的强度的模拟图。现在将参考图4a和4b中所示的曲线来描述根据图3中所示方案的电磁波长转换器的效率。图中的点表示Maxwell-Bloch方程的数值积分结果。
在模拟中使用的参数是：
Γ/γ＝1/624.84，其中Γ是30S1/2第一里德堡态的寿命，γ是中间5P1/2激发态的寿命；
ΩA＝4γ，其中ΩA是来自第一激光器6的625THz辐射A的拉比频率；
ΩC＝8γ，其中ΩC是来自微波发生器14的157GHz辐射C的拉比频率；
ΩR＝3γ，其中ΩR是来自第一激光器6的经偏移的632THz辐射R的拉比频率；
ΩP＝0.15γ，其中ΩP是来自第二激光器8的377THz辐射P的拉比频率；
Δ4＝8γ；
Δ5＝8γ；
Δ6＝2γ；以及
b＝√7.24。
可以看到上述参数满足失谐条件：
以及
|ΩR|＞＞|ΩP|。
用于该铷能级方案的模拟的其他量是：
在30S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级和30P1/2第二里德堡态之间的微波跃迁上的偶极子矩阵元是|d43|＝397.83ea0，其中e是元电荷，a0是玻尔半径；以及
5P3/2激发态和5S1/2基态之间的近红外跃迁上的偶极矩阵元是|d61|＝2.99ea0。
在图4a中，示出了输入微波场和输出近红外场的强度取决于进入原子系综的深度，连续波微波场101(频率为157GHz)以深度z＝0进入原子系综，在z＝0处强度为18.7pW/mm2。输入微波辐射101到近红外辐射102的完全转换发生在l＝186.6labs的长度之后，其中labs是吸收长度。对于ρ＝1017m-3的原子密度，吸收长度为labs＝3.43×10-2mm，所以对长度l≈6.4mm发生完全转换。l＝186.6labs处的转换效率被发现为96.7％。在l＝186.6labs处的输出近红外光场102(频率384THz)的强度被发现为42.8nW/mm2。
从图4a还可以看出，在进入原子系综中l＝186.6labs的深度之后，近红外场102被转换回微波辐射101。
在图4b中示出了输入近红外场的强度和输出微波场取决于进入原子系综的深度，连续波近红外场201(频率为384THz)以深度z＝0进入原子系综，在z＝0处强度为331.3nW/mm2。输入近红外辐射201到微波辐射202的完全转换发生在l＝186.6labs的长度之后，其中labs是吸收长度。对于ρ＝1017m-3的原子密度，吸收长度为labs＝3.43×10-2mm，所以对长度l≈6.4mm发生完全转换。l＝186.6labs处的转换效率被发现为96.7％。l＝186.6labs处的输出微波场202(频率为157GHz)的强度被发现为126.7pW/mm2。
如从图4b还将看到的，在进入原子系综中l＝186.6labs的深度之后，微波场202被转换回近红外辐射201。
图5示出了根据本发明的实施方式的电磁频率转换器中使用的原子能级方案的另一具体示例，其中蒸气室包含铷原子的原子系综，但是采用与图3所示的方案不同的跃迁。
该实施方式可以根据图1中所示的设置来实现，然而优选所有的场(即光学场和微波(或太赫兹)场)都是共同传播的。因此，在该实施方式中，输入波导18被定位成通过与光或近红外辐射L相同的输入窗口10从微波或太赫兹输入22输入微波或太赫兹辐射M。而且，输出波导30被定位成接收从与光或近红外辐射L相同的输出窗口32接收输出微波或太赫兹辐射。因此，在该实施方式中，输入窗口10和输出窗口32对于所使用的微波或太赫兹辐射的频率以及光或近红外辐射的频率透明。
类似于参考图1和图2描述的实施方式，图4中所示的实施方式能够以两种主要操作模式操作：将太赫兹辐射转换成近红外辐射以及进行相反的转换。现在将参考图1和图4描述这两种操作模式。
在这两种操作模式中，在蒸气室2中制备铷原子的原子系综4，并且加热器被通电以使原子系综4的铷原子汽化。频率为大致617THz的第一激光器6被通电，并且其输出辐射(具有大约2.27W/mm2的强度)的一部分与激光束的其余部分分离并且被引导通过频移器12以将其频率偏移到大约625THz。剩余的617THz辐射A(具有大约2.27W/mm2的强度)和来自第一激光器6的625THz辐射R被引导通过蒸气室2的输入窗口10以入射到铷原子系综4上。
来自第二激光器8的具有大致377THz的频率和大致5.95μW/mm2的强度的电磁辐射P也被引导通过蒸气室2的输入窗口10以入射到铷原子系综4上。
来自第二激光器8的377THz辐射P通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从其5S1/2基态激发至中间5P1/2激发态。377THz辐射P与从5S1/2基态到中间5P1/2激发态的原子跃迁谐振。
来自第一激光器6的经移位的625THz辐射R通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从其中间5P1/2激发态激发成经高度激发的23S1/2第一里德堡态。625THz辐射R与从中间5P1/2激发态到23S1/2第一里德堡态的mJ＝1/2塞曼子能级的原子跃迁谐振。
类似地，来自第一激光器6的617THz辐射A通过电偶极子跃迁将原子系综中的原子价电子从5P3/2激发态激发到经激发的22S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级。在跃迁的每一端，617THz辐射A与从激发态5P3/2激发态到经激发的22S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级的原子跃迁失谐12.1MHz。
太赫兹辐射发生器14也被通电以产生太赫兹辐射C，太赫兹辐射C具有大致2.03THz的频率和12μW/mm2的强度，并沿着波导18被引导并通过蒸气室的输入窗口10以入射到原子系综4上。该2.03THz辐射C通过点偶极子跃迁将原子价电子从经激发的22S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级激发到更高的24P1/2第二里德堡态。在跃迁的每一端，2.03THz辐射C与从经激发的22S1/2第三里德堡态的mJ＝+1/2塞曼子能级到24P1/2第二里德堡态的原子跃迁失谐12.1MHz。
377THz辐射P、625THz辐射R、617THz辐射A和2.03THz辐射C入射到蒸气室2中的铷原子系综4上，然后输入电磁辐射可以被输入到原子系综4以进行转换。分别来自第一和第二激光器6、8的377THz辐射P和625THz辐射R通过相干布局捕获在S1/2基态和23S1/2第一里德堡态的mJ＝1/2塞曼子能级之间的跃迁上产生相干性。
如果电磁频率转换器1正被用于将太赫兹辐射转换成近红外辐射，则太赫兹辐射M(频率为大致1.12THz)从太赫兹输入22输入，并沿着波导18被引导并通过蒸气室2的输入窗口12以入射到原子系综4上。在入射到原子系综4上时，太赫兹辐射M耦合到23S1/2第一里德堡态的mJ＝1/2塞曼子能级和24P1/2第二里德堡态的点偶极子跃迁(太赫兹辐射M与其失谐12.1MHz)。
当输入1.12THz太赫兹辐射M时，这在5P3/2激发态和S1/2基态之间的近红外频率跃迁上产生相干性，但是在23S1/2第一里德堡态的mJ＝的1/2塞曼子能级和24P1/2第二里德堡态之间的太赫兹跃迁上不产生相干性(其通过量子干涉被抑制)。结果，输入1.12THz太赫兹辐射M被转换成近红外辐射(其频率为大致384THz，并与5P3/2激发态和S1/2基态之间的跃迁失谐12.1MHz)。然后，该384THz近红外辐射通过蒸气室2中的输出窗口32从原子系综4输出，输出窗口32对于384THz近红外辐射是透明的，在输出窗口32处384THz近红外辐射被近红外辐射输出26接收。
如果电磁频率转换器1正被用于将近红外辐射转换为太赫兹辐射，则384THz近红外辐射L从光输入20输入并被引导通过蒸气室2的输入窗口10(其对于该频率的辐射透明)以入射到原子系综4上。在入射到原子系综4上时，384THz辐射L耦合到5P3/2激发态与S1/2基态之间的电偶极子跃迁，其中384THz输入辐射L的频率与该跃迁失谐12.1MHz。
当输入384THz辐射L时，这在23S1/2第一里德堡态的mJ＝1/2塞曼子能级和24P1/2第二里德堡态之间的太赫兹跃迁上产生相干性，而在5P3/2激发态和S1/2基态之间的384THz光跃迁上不产生相干性(通过量子干涉抑制)。结果，输入384THz辐射L被转换成太赫兹辐射(其频率为大致1.12THz，并与从23S1/2第一里德堡态的mJ＝1/2塞曼能级和24P1/2第二里德堡态之间的跃迁失谐12.1MHz)。然后该1.12THz太赫兹辐射通过蒸气室2中的输出窗口32从原子系综4输出，输出窗口32对于1.12THz太赫兹辐射的频率透明，在输出窗口处321.12THz太赫兹辐射通过输出波导30被太赫兹辐射输出24接收。
图6a和图6b示出了根据图5所示的原子能级方案操作的电磁频率转换器的实施方式中的输入电磁辐射频率的强度的模拟图。现在将参考图6a和6b中所示的曲线来描述根据图5中所示方案的电磁波长转换器的效率。图中的点表示Maxwell-Bloch方程的数值积分结果。
在模拟中使用的参数是：
Γ/γ＝1/285，其中Γ是23S1/2第一里德堡态的寿命，γ是中间5P1/2激发态的寿命；
ΩA＝2γ，其中ΩA是来自第一激光器6的617THz辐射A的拉比频率；
ΩC＝2γ，其中ΩC是来自太赫兹发生器14的1.12THz辐射C的拉比频率；
ΩR＝2γ，其中ΩR是来自第一激光器6的经偏移的632THz辐射R的拉比频率；
ΩP＝0.3γ，其中ΩP是来自第二激光器8的377THz辐射P的拉比频率；
Δ4＝2γ；
Δ5＝2γ；
Δ6＝2γ；以及
b＝√0.72。
可以看到上述参数满足失谐条件：
以及
|ΩR|＞＞|ΩP|。
用于该铷能级方案的模拟的其他量是：
在23S1/2第一里德堡态的mJ＝-1/2塞曼子能级和24P1/2第二里德堡态之间的微波跃迁上的偶极子矩阵元是|d43|＝27.03ea0，其中e是元电荷，a0是玻尔半径；以及
5P3/2激发态和5S1/2基态之间的近红外跃迁上的偶极矩阵元是|d61|＝1.73ea0。
在图6a中，示出了输入太赫兹场和输出近红外场的强度作为进入原子系综的深度的函数，连续波太赫兹场301(频率为1.12THz)以深度z＝0进入原子系综，在z＝0处强度为40.5pW/mm2。输入太赫兹辐射301到近红外辐射302的完全转换发生在l＝100labs的长度之后，其中labs是吸收长度。对于ρ＝2×1017m-3的原子密度，吸收长度为labs＝5.1×10-2mm，所以完全转换发生长度l≈5.1mm。l＝100labs处的转换效率被发现为92.1％。在l＝100labs处的输出近红外光场302(频率384THz)的强度被发现为11.8nW/mm2。
从图6a还可以看出，在进入原子系综中l＝100labs的深度之后，近红外场302被转换回太赫兹辐射301。
在图6b中示出了输入近红外场的强度和输出太赫兹场作为进入原子系综的深度的函数，连续波近红外场401(频率为384THz)以深度z＝0进入原子系综，在z＝0处强度为9.94nW/mm2。输入近红外辐射401到太赫兹辐射402的完全转换发生在l＝100labs的长度之后，其中labs是吸收长度。对于ρ＝2×1017m-3的原子密度，吸收长度为labs＝5.1×10-2mm，所以完全转换发生长度l≈5.1mm。l＝100labs处的转换效率被发现为92.1％。l＝100labs处的输出太赫兹场402(频率为1.12THz)的强度被发现为24.5PW/mm2。
如从图6b还将看到的，在进入原子系综中l＝100labs的深度之后，太赫兹场402被转换回近红外辐射401。
从上文可以看出，至少在本发明的优选实施方式中，提供了一种电磁频率转换器，其在光或近红外辐射与微波或太赫兹频率辐射之间提供有效的频率转换机制(反之亦然)。这种转换器不需要使用空腔，因此为转换频率提供更大的带宽。此外，转换器不需要任何光泵浦，因为高激发里德堡态在室温下是未填充的，因此没有要抑制的热噪声，并且不需要任何微部件制造，因为转换器的有源元件仅仅是辐射所施加的原子体积。
虽然附图中所示的实施方式使用四个驱动场(即三个光学或近红外场和一个微波场)来执行转换，但应理解，从基态|1>到第一里德堡态|3>的跃迁可以仅使用单个驱动场或经由两个或更多个中间态通过各自的跃迁使用三个或更多个驱动场来执行。类似地，从激发态|6>到第二里德堡态|4>的跃迁可以仅使用单个驱动场或由两个或更多个中间态通过各自的跃迁使用三个或更多个驱动场来执行。
获得本发明的工作基于欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013)/ERC拨款协议No.319286已经从欧洲研究委员会获得资金。新加坡国立大学也承认了对这项工作的支持。
Claims (21)
1.一种用于转换输入电磁辐射以输出不同频率的电磁辐射的电磁频率转换器，所述电磁频率转换器包括：
原子系综；
电磁辐射的一个或多个第一源，各自具有的频率选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中所述一个或多个第一源的频率之和在600THz和1500THz之间，其中来自所述一个或多个第一源的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上以将所述原子系综中的原子价电子从基态激发到第一里德堡态；
电磁辐射的一个或多个第二源，各自具有的频率选自所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，其中所述一个或多个第二源的频率之和在300THz和750THz之间，其中来自所述一个或多个第二源的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上以将所述原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二里德堡态，其中对于所述原子系综中的原子价电子，所述激发态通过具有在193THz和800THz之间的频率的原子跃迁与所述基态相关联，并且对于所述原子系综中的原子价电子，所述第二里德堡态通过具有在300MHz和3THz之间的频率的原子跃迁与所述第一里德堡态相关联；
用于具有在193THz和800THz之间的频率的电磁辐射的第一输入和/或输出，其中所述第一输入或输出被布置成耦合到所述原子系综，使得所述电磁辐射从所述第一输入入射到所述原子系综上或在所述第一输出处从所述原子系综接收；和
用于具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射的第二输入和/或输出，其中所述第二输入或输出被布置成耦合到所述原子系综，使得所述电磁辐射从所述第二输入入射到所述原子系综上或在所述第二输出处从所述原子系综接收；
其中所述电磁频率转换器被布置成使得在施加所述入射到所述原子系综上的电磁辐射的一个或多个第一源和一个或多个第二源时，来自所述第一输入的具有在193THz和800THz之间的频率并且与所述基态和所述激发态之间的原子跃迁耦合的电磁辐射的输入或来自所述第二输入的具有在300MHz和3THz之间的频率并且与所述第一里德堡态和所述第二里德堡态之间的原子跃迁耦合的电磁辐射的输入分别引起来自所述第二里德堡态和所述第一里德堡态之间的原子跃迁的具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射从所述第二输出被输出或者来自所述激发态和所述基态之间的原子跃迁的具有在193MHz和800THz之间的频率的电磁辐射从所述第一输出被输出。
2.根据权利要求1所述的电磁频率转换器，其中电磁辐射的所述一个或多个第一源包括：
电磁辐射的一个或多个第一源，各自具有选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率中的频率，其中所述一个或多个第一源的频率之和在193THz和800THz之间，其中来自所述一个或多个第一源的电磁辐射被布置为入射到所述原子系综上以将所述原子系综中的原子价电子从基态激发到中间激发态；以及
电磁辐射的一个或多个第三源，各自具有选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率中的频率，其中所述一个或多个第三源的频率之和在193THz和800THz之间，其中来自所述一个或多个第三源的电磁辐射被布置为入射到所述原子系综上以将所述原子系综中的原子价电子从所述中间激发态激发到所述第一里德堡态。
3.根据权利要求1或2所述的电磁频率转换器，其中电磁辐射的所述一个或多个第二源包括：
电磁辐射的一个或多个第二源，各自具有选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率中的频率，其中所述一个或多个第二源的频率之和在300THz和750THz之间，其中来自所述一个或多个第二源的电磁辐射被布置为入射到所述原子系综上以将所述原子系综中的原子价电子从激发态激发到第三里德堡态；以及
电磁辐射的一个或多个第四源，各自具有选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率中的频率，并且所述一个或多个第四源的频率之和在300MHz和3THz之间，其中来自所述一个或多个第四源的电磁辐射被布置为入射到所述原子系综上以将所述原子系综中的原子价电子从所述第三里德堡态激发到所述第二里德堡态。
4.根据权利要求1、2或3所述的电磁频率转换器，其中所述原子系综包括碱金属原子。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述原子系综包括铷原子、铯原子、或钠原子。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，还包括蒸气室，在所述蒸气室中保持所述原子系综。
7.根据权利要求6所述的电磁频率转换器，其中所述蒸气室包括对来自以下中的一个或多个的电磁辐射透明的输入窗口：电磁辐射的所述一个或多个第一源、电磁辐射的所述一个或多个第二源、用于电磁辐射的所述第一输入以及用于电磁辐射的所述第二输入，所述一个或多个第一源、所述一个或多个第二源、所述第一输入以及所述第二输入被布置为引导来自它们的各自的电磁辐射通过所述输入窗口以入射到所述原子系综上。
8.根据权利要求6或7所述的电磁频率转换器，其中所述蒸气室包括对来自电磁辐射的所述第一输出和电磁辐射的所述第二输出中的一个或二者的电磁辐射透明的输出窗口，所述第一输出和第二输出被布置为通过所述输出窗口接收来自所述原子系综的所述电磁辐射。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述电磁频率转换器包括与所述蒸气室良好地热连通并且被布置为加热所述原子系综的加热器。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，电磁辐射的所述一个或多个第一源或所述一个或多个第二源中的一个或多个包括激光器。
11.根据权利要求3所述的电磁频率转换器，其中所述一个或多个第四源包括微波或太赫兹辐射发生器和波导，所述波导被布置为将由所述微波或太赫兹辐射发生器产生的所述微波或太赫兹辐射耦合到所述原子系综，使得所述微波或太赫兹辐射入射到所述原子系综上。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述第二输出包括波导，所述波导被布置为收集从所述原子系综输出的具有在0.1mm和1m之间的频率的电磁辐射。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述原子价电子的一个或多个跃迁是电偶极子跃迁。
14.根据权利要求2所述的电磁频率转换器，其中所述原子系综中的价电子的通过所述一个或多个第一源激发来达到的所述中间激发态和所述原子系综中的价电子的通过所述第一输入激发来达到的所述激发态具有相同的主量子数但包括不同的超精细态。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述原子系综中的价电子的所述基态和所述激发态之间的跃迁是D线跃迁中的至少一个。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述第一里德堡态和所述第二里德堡态的主量子数在20和80之间，例如在30和70之间，例如在40和60之间。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中所述第一里德堡态和所述第二里德堡态具有相同的主量子数但包括不同方位角量子数和不同轨道角动量量子数中的一个或多个。
18.根据权利要求2和3所述的电磁频率转换器，其中所述电磁频率转换器包括第一源、第二源、第三源和第四源，来自所述第一源、所述第二源、所述第三源和所述第四源的电磁辐射的频率和强度满足以下条件：
以及
|Ω3|＞＞|Ω1|，
其中Ω1是来自所述第一源的电磁辐射的拉比频率，Ω2是来自所述第二源的电磁辐射的拉比频率，Ω3是来自所述第三源的电磁辐射的拉比频率，Ω4是来自所述第四源的电磁辐射的拉比频率，Δ4-Δ5是来自所述第四源的电磁辐射与所述第三里德堡态和所述第二里德堡态之间的原子跃迁的失谐量，并且Δ5-Δ6是来自所述第二源的电磁辐射与所述第三里德堡态和所述激发态之间的原子跃迁的失谐量。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中当所述输入电磁辐射从所述第二输入被输入时，所述第二输入电磁辐射的频率与所述原子系综的价电子的所述第一里德堡态和所述第二里德堡态之间的原子跃迁频率的差值远小于所述第一里德堡态和所述第二里德堡态之间的原子跃迁频率本身。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁频率转换器，其中当所述输入电磁辐射从所述第一输入被输入时，所述第一输入电磁辐射的频率与所述原子系综的价电子的所述基态和所述激发态之间的原子跃迁频率的差值远小于所述基态和所述激发态之间的原子跃迁频率本身。
21.一种用于转换输入电磁辐射以输出不同频率的电磁辐射的方法，所述方法包括：
通过将来自电磁辐射的一个或多个第一源的电磁辐射布置成入射到原子系综上，将所述原子系综中的原子价电子从基态激发到第一里德堡态，其中电磁辐射的所述一个或多个第一源中的每一个的频率选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，并且所述一个或多个第一源的频率之和在600THz和1500THz之间；
通过将来自电磁辐射的一个或多个第二源的电磁辐射布置成入射到所述原子系综上，将所述原子系综中的原子价电子从激发态激发到第二里德堡态，其中对于所述原子系综中的原子价电子，所述激发态通过具有在193THz和800THz之间的频率的原子跃迁与所述基态相关联，并且对于所述原子系综中的原子价电子，所述第二里德堡态通过具有在300MHz和3THz之间的频率的原子跃迁与所述第一里德堡态相关联，并且其中电磁辐射的所述一个或多个第二源中的每一个的频率选自用于所述原子系综中的原子价电子的一组可能的原子跃迁频率，并且所述一个或多个第二源的频率之和在300THz和750THz之间；
将具有在193THz和800THz之间或在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射输入到所述原子系综中，使得所述电磁辐射入射到所述原子系综上；
其中所述原子系综被布置成使得在施加所述入射到所述原子系综上的电磁辐射的一个或多个第一源和一个或多个第二源时，来自所述第一输入的具有在193THz和800THz之间的频率并且与所述基态和所述激发态之间的原子跃迁耦合的电磁辐射输入或来自所述第二输入的具有在300MHz和3THz之间的频率并且与所述第一里德堡态和所述第二里德堡态之间的原子跃迁耦合的电磁辐射输入分别引起来自所述第二里德堡态和所述第一里德堡态之间的原子跃迁的具有在300MHz和3THz之间的频率的电磁辐射或来自所述激发态和所述基态之间的原子跃迁的具有在193MHz和800THz之间的频率的电磁辐射从所述原子系综输出。
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