CN110161774A - 基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：该纠缠光子产生单元用于产生纠缠光子对，其中一束纠缠光子作为该纠缠光子开关单元的探测信号；该纠缠光子开关单元包括：一三维磁光阱，提供一三维原子系综；一二向色镜，用于将外部输入的耦合光反射于所述三维磁光阱上，与探测信号共同作用，实现电磁感应透明；以及一偏振分束器，用于将外部输入的相干脉冲的开关控制光耦合作用于三维磁光阱上，实现对光子开关控制。该系统通过调节耦合光和开关控制光的准直和聚焦，以及提高三维原子系综中里德堡原子高激发态|nD＞的主量子数，实现开关对比度超过50％的开关，对量子网络的构建起到重要作用。
Description
技术领域
本发明属于量子信息领域，尤其涉及基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统。
背景技术
随着近年来量子信息技术的发展，量子通信和量子计算方面的研究不断进步，未来发展的重要目标就是量子网络的实现。单光子开关是量子网络所需的一个基本构成单元。里德堡原子具有令人瞩目的里德堡长程相互作用，赋予介质以很大的非线性性质，由此所导致的偶级阻塞效应可以被用来制作单光子量子开关，对量子网络的搭建非常重要。实现用单个量子粒子操控整个纠缠系统的任务，是量子信息科学的里程碑和长远目标。
类似于经典电子设备的对应产品，量子光开关是被看作量子网络和量子电路的基本单元。处于全量子机制中的，单个粒子能够操控来自另一个系统的量子比特或纠缠的开关态，可能会允许在量子信息领域中的进一步应用，例如，在量子计算，分布式的量子信息处理，以及计量学等领域等等。许多研究努力于构建这样的原型。例如，单原子的耦合的微谐振器。微型中空光纤中囚禁的冷原子，处于强耦合机制下的腔中的冷原子，使用强耦合的量子点腔，还有使用染料单分子。这些实验都实现了对弱相干光的阻塞，但不能够对单光子进行阻塞。由于弱相干光源是单光子和多光子脉冲的概率混合，其量子特性相比于单光子更弱，需要开发具有更高精度的光开关才能够实现对单光子的阻塞。这种能够实现对单光子阻塞的开关，可以为量子计算中光量子比特的操控打下基础。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，以期实现纠缠光子对的产生，并对产生的单光子进行开关操作，至少部分的解决上述现有技术中的不足之处。
(二)技术方案
本发明提供一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：
该纠缠光子产生单元用于产生纠缠光子对，其中一束纠缠光子作为该纠缠光子开关单元的探测信号；以及
该纠缠光子开关单元，包括：
一三维磁光阱，其中囚禁一三维原子系综；
一二向色镜，用于将外部输入的耦合光反射于所述三维磁光阱上，与探测信号共同作用，实现电磁感应透明；以及
一偏振分束器，用于将外部输入的相干脉冲的开关控制光耦合到三维磁光阱里，实现对光子的开关控制。
其中，所述纠缠光子开关单元还包括：两个透镜，位于所述三维磁光阱两侧，用于将所述耦合光、开关控制光与探测信号光进行强聚焦，增强光和原子系综的相互作用，实现光子开关；
其中，所述开关控制光的频率与所述探测信号光的频率相等；
其中，所述纠缠光子开关单元更包括：
一干涉滤波片，对所述三维磁光阱透射出的光进行滤波；
一四分之一波片以及一半波片，对干涉滤波片滤波后的信号光进行测量基矢的控制。
其中，所述纠缠光子产生单元，包括：
一二维磁光阱，其中囚禁一二维原子系综；以及
二个泵浦激光器，用于发射两束泵浦光，作用于二维磁光阱上，使得二维磁光阱产生纠缠光子对，其中一束信号光作为纠缠光子开关单元的探测信号。
其中，所述二维原子系综为二维85Rb原子云；所述三维原子系综为三维85Rb原子云。
其中，所述纠缠光子产生单元更包括：两个透镜，位于所述二维磁光阱两侧，用于收集二维磁光阱发射出的信号光并将其输出。
其中，所述纠缠光子产生单元更包括：两个光束偏移器，分别接收从二维磁光阱出射的信号光，并将接收到的信号光进行合束；两个声光调制器，分别接收所述光束偏移器合束后的信号光，并对接收到的信号光进行移频。
其中，所述两个泵浦光激光器，发射出泵浦光1和泵浦光2，所述泵浦光1和泵浦光2是共线的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，通过在二维原子系综中的四波混频过程(SFWM)，制备得到纠缠光子对；并采用光束偏移器对信号光进行合束，为纠缠光子开关单元提供了自稳定窄带和高保真度冷原子纠缠光子源；
2、本发明提供的一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，通过耦合光和开关控制光的准直和聚焦，以及提高了三维原子系综中里德堡原子的主量子数，增强了三维磁光阱中的相互作用，实现了对比度超过50％的开关，打破了克隆极限，对量子网络的构建起到重要作用。
附图说明
图1为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统的结构图。
图2是本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统中，在二维磁光阱中产生纠缠光子的能级图和在三维磁光阱中发生光子开关过程中的能级图。
图3为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统中制备纠缠光子和光子开关所需泵浦光1、泵浦光2、开关控制光和耦合光的时间序列。
图4为本发明一实施例在有门光场和无门光场下的透射率发射谱。
图5为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统在不同情况下的符合计数。
图6为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统在有与没有门光场两种情况下的符合计数统计图。
图7为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统在信号光2分别处于|H＞和|H+V＞两种状态下，在有与没有门光场下的双光子干涉。
图8为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统的开关对比度与电磁感应透明(EIT)的对比度对主量子数的依赖关系图。
具体实施方式
现有技术大多实现了对弱相干光的阻塞，对于单光子的阻塞并没有实现，有鉴于此，本发明提供了一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，实现控制单光子的量子开关，该基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：
该纠缠光子产生单元用于产生纠缠光子对，其中一束纠缠光子作为该纠缠光子开关单元的探测信号；以及
该纠缠光子开关单元，包括：
一三维磁光阱，其中囚禁一三维原子系综；
一二向色镜，用于将外部输入的耦合光反射于所述三维磁光阱上，与探测信号共同作用，实现电磁感应透明；以及
一偏振分束器，用于将外部输入的相干脉冲的开关控制光耦合到三维磁光阱里，实现对光子开关控制。
其中，纠缠光子开关单元还包括：两个透镜，位于三维磁光阱两侧，用于将耦合光、开关控制光与探测信号光进行强聚焦，增强光和所述原子系综的相互作用，实现光子开关；一干涉滤波片，对三维磁光阱透射出的光进行滤波；一四分之一波片以及一半波片，对干涉滤波片滤波后的信号光进行测量基矢的控制；
其中，开关控制光的频率与探测信号光的频率相等；本发明通过耦合光和开关控制光的准直和聚焦，以及提高三维原子系综中里德堡原子的主量子数，增强了三维磁光阱中的相互作用，实现了对比度超过50％的开关，打破了克隆极限，对量子网络的构建起到重要作用。
其中，纠缠光子产生单元，包括：一二维磁光阱，其中囚禁一二维原子系综；以及二个泵浦激光器，用于发射两束泵浦光，作用于二维磁光阱上使得二维磁光阱产生纠缠光子对，其中一束信号光作为纠缠光子开关单元的探测信号；两个透镜，位于所述二维磁光阱两侧，用于收集二维磁光阱发射出的信号光并将其输出；两个光束偏移器，分别接收从二维磁光阱出射的信号光，并将接收到的信号光进行合束；两个声光调制器，分别接收光束偏移器合束后的信号光，并对接收到的信号光进行移频。
其中，二维原子系综为二维85Rb原子云；三维原子系综为三维85Rb原子云；两个泵浦激光器，发射出泵浦光1和泵浦光2，泵浦光1和泵浦光2是共线的。通过在二维原子系综中的四波混频过程(SFWM)，制备得到纠缠光子对；并采用光束偏移器对信号光进行合束，为纠缠光子开关单元提供了自稳定窄带和高保真度冷原子纠缠光子源。
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，对本发明进一步详细说明。如图1所示，为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统的结构图。结合图1可知，该光子纠缠量子开关系统包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：
纠缠光子产生单元包括二维磁光阱、两个泵浦激光器、两个透镜L1和L2、和两个光束偏移器，其中：
二维磁光阱，包含二维原子系综，用于发射纠缠光子对。本发明中的纠缠光子对是通过二维磁光阱中四波混频过程(SFWM)制备于二维原子云中，并且被输入作为开关的三维磁光阱中三维原子系综。
该四波混频过程是基于双-A能级结构，如图2左侧所示，包含有85Rb的5S1/2(F＝2)(|1＞)、5S3/2(F′＝3)(|2＞)、5S1/2(F＝3)(|3＞)和5S1/2(F′＝3)(|4＞)四种状态，其中，|1＞和|3＞为基态；|2＞和|4＞为激发态。在四波混频过程中，满足波矢匹配条件kP1-kS1＝kP2-kS2，其中，kP1为泵浦光1的波矢；kP2为泵浦光2的波矢；kS1为信号光1的波矢；kS2为信号光2的波矢。图3给出了泵浦光1、泵浦光2、开关控制光和耦合光的时间序列，该装置的重复率(repetition rate)是200Hz，并且二维磁光阱的俘获时间是4.71ms。此外，实验窗口是290μs。
两个泵浦激光器，发射出泵浦1和泵浦2，作用于二维磁光阱上，结合图2左侧可知，泵浦1作用在二维原子系综后，使得85Rb原子从基态|3＞被激发至|2＞的激发态，当85Rb从激发态|2＞到基态|1＞的过程中，发射信号光1；泵浦2作用于处于基态|1＞的85Rb原子上，使其跃迁至激发态|4＞，让从激发态|4＞到基态|3＞过程中，发射信号光2。通过这个过程，可以得到本发明中所说的纠缠光子对，这对纠缠光子在时域上是关联的。发射出的信号光1和信号光2分别通过声光调制器(图中未绘出)，进行频率的调节。
两个透镜L1和L2，用来把二维磁光阱发射出的信号收集，并传送到下一个光学器件中。
两个光束偏移器，分别接收所述声光调控器调频后的信号光，并将接收到的信号光进行合束。
优选的，二维磁光阱的光学深度(optical depth)大约是20。
优选的，泵浦光1和泵浦光2是共线的，因此它们分别对应的信号光1与信号光2也是共线的。
纠缠光子开关单元包括三维磁光阱、二向色镜和偏振分束器，其中：
三维磁光阱，接受被声光调控器附加了+120×2πMHZ移频后的信号光2。这里对信号光2进行移频，是为了使得信号光2与信号光1实现跃迁共振。
二向色镜，用于将耦合光反射作用于磁光阱上，通过耦合光，实现了由基态|g＞、激发态|e＞以及高激发态|nD＞构成的阶梯型的里德堡-电磁感应透明，这里n＝50。对于处于50D5/2(mj＝5/2)态的85Rb里德堡原子之间存在C6＝2π×35GH·μm6的范德华相互作用，造成一个大约4.4μm的阻塞半径。对于n＝50，在球状阻塞区域中平均原子数约为350±40。
偏振分束器，用于将相干脉冲的开关控制光耦合作用于磁光阱上，由于相干脉冲的开关控制光与5S1/2(F＝3)→5P3/2(F′＝4)的原子跃迁共振，以此实现量子光开关。
在三维磁光阱中，探测信号、耦合光与开关控制光共同作用使发生的能级变化如图2右侧所示。当信号光2作用于三维磁光阱时，使得85Rb原子从基态|g＞到激发态|e＞；开关控制光作用于三维磁光阱后，使得85Rb原子从基态|g＞到激发态|e′＞；激发态|e＞和|e′＞在耦合光的作用下，继续跃迁至高激发态|nD＞，形成了阶梯型里德堡-电磁感应透明。
在纠缠光子单元和光子开关单元之后，分别将信号光子收集与单模光纤中(图中为绘制出)，并且通过两个单光子探测器探测(雪崩光电二极管，60％探测效率，最大暗计数率25/s)。两个探测器通过一个任意函数产生器选通，然后来自两个探测器的选通信号被送到时间关联单光子计数系统中(Time-Harp 260)测量它们的时间关联函数。
这里，为实现单光子的里德堡-电磁感应透明效应，需要连接处于量子机制(Quantum Regime)下的两个物理系统，包含信号光2和处于三维磁光阱中的三维原子系综的吸收窗口的带宽和频率匹配的过程，这可以通过改变泵浦场的拉比频率ΩP2来实现。对于最优的情况，拉比频率ΩP2约为1×2πMHZ，信号光的带宽被设置到大约5×2πMHZ。三维磁光阱中三维原子系综的吸收窗口是大约13×2πMHZ。因此，信号光2完全处于里德堡-电磁感应透明的窗口中。
图4是分别在有开关控制光和没有开关控制光，且输入信号和开关控制光都是弱的相干光场情况下，所记录的Rydberg-EIT发射谱，此时，主量子数是n＝50，Δp是探测光的失谐量。实线是通过中的方程拟合得到的。(这里L是原子介质的长度，ωS2是信号光2的频率，c是真空中的光速，χ是复数线性磁化率)。
在实现纠缠光子开关之前，通过来自信号光2中的单光子与开关控制光，实现了单光子的开关效应。
图5是在不同情况下的符合计数，其中(a)对应测量到的有原子和没有原子的符合计数。(b)对应测量到的处于Rydberg-EIT构型下，有开关控制光和没有开关控制光的符合计数。这些符合计数都是在4000s内记录的。显然，当开关控制光被使用时，符合计数减少，这种情况下相比没有开关控制光的情况下信号光2被明显地吸收。定义了一个开关对比度来描述开关效应：
其中，Cswitch为开关对比度；CCEIT为有开关控制光情况下信号光1与信号光2的的符合计数；CCgate为没有开关控制光情况下信号光1与信号光2的的符合计数。图5是在不同情况下的符合计数。这些符合计数都是在4000s内记录的。
我们改变了信号光2的基并且记录了信号光1处于|H＞、|V＞、|H＞-i|V＞和|H＞+|V＞不同量子态的符合计数。为了得到有开关控制光和没有开关控制光的差异，我们记录了这些情况下的符合计数，图6为和四个情况下不同量子态的符合计数，同时这四种状态下的开关对比度分别为：
在经典和量子机制间需要50％的克隆限制时，本装置得到的两组数据的开关对比度均超过了50％，具有很好的应用前景。
根据图5、图6给出的测试数据可知，得到的开关对比度Cswitch＝77.6±3.1％。
此外，本实施例还提供了信号光2处于|H＞与|H＞+|V＞基，有与没有开关控制光下的双光子干涉，如图7所示。在这里重构了有场与没有门场开关的密度矩阵，并且计算了态的保真度为85.3±1.5％和80.4±2.3％。
在本实施例中，三维磁光阱中原子的吸收窗口大约是13×2πMHz，为实现光子纠缠开关，建立了被动锁定干涉技术。通过在二维磁光阱两侧增加两个光束偏移器，实现对左边和右边光学路径上的单光子进行相干组合。这种形式的纠缠是：其中是左边和右边光路的相对相位，在本实施例中设置为零，|HS1，S2＞和|VS1，S2＞代表了信号光的水平和垂直偏振态。
最后本实施例还提供了对开关对比度和Rydberg-EIT的对比度对主量子数的依赖关系，如图8所示，图8为本发明提出的基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统的开关对比度与EIT的对比度对主量子数的依赖关系图。该图8是通过函数y＝A*Exp[-x/t]+y0(实线部分)集合得到。在这个过程中，开关控制光的强度被调节到平均每个阻塞半球中大约2.1个原子，误差线大约是±1个标准差。
为了从原理上实现光子纠缠开关，仅仅阻断信号光2。在这种情况下，利用了一个50m的光纤引入信号光1在路径上的时间延迟。这保证了在开关过程完成之前纠缠不会坍缩。在开关纠缠的实验中，设置实验窗口为25μs，这样每个阻塞球状区域平均有1.7个里德堡原子。
在本发明中，实现了基于两原子系综中较强的光子-光子相互作用的光开关式光子纠缠。发射的与信号光1关联的信号光2被处于里德堡-电磁感应透明布局下的另一个门光场所阻塞。开关效应依赖于主量子数，发射光子的带宽，门光场的平均光子数。成功实现了纠缠光子的光开关，同时超过50％的光子对被阻塞。
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，所应理解的是，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。
Claims (10)
1.一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：
该纠缠光子产生单元用于产生纠缠光子对，其中一束纠缠光子作为该纠缠光子开关单元的探测信号；以及
该纠缠光子开关单元，包括：
一三维磁光阱，其中囚禁一三维原子系综；
一二向色镜，用于将外部输入的耦合光反射于所述三维磁光阱上，与探测信号共同作用，实现电磁感应透明；以及
一偏振分束器，用于将外部输入的相干脉冲的开关控制光耦合到三维磁光阱里，实现对光子的开关控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纠缠光子开关单元还包括：
两个透镜，位于所述三维磁光阱两侧，用于将所述耦合光、开关控制光与探测信号光进行强聚焦，增强光和所述原子系综的相互作用，实现光子开关。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关控制光的频率与所述探测信号光的频率相等。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纠缠光子开关单元更包括：
一干涉滤波片，对所述三维磁光阱透射出的光进行滤波；
一四分之一波片以及一半波片，对干涉滤波片滤波后的信号光进行测量基矢的控制。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述纠缠光子产生单元，包括：
一二维磁光阱，其中囚禁一二维原子系综；以及
二个泵浦激光器，用于发射两束泵浦光，作用于二维磁光阱上使得二维磁光阱产生纠缠光子对，其中一束信号光作为纠缠光子开关单元的探测信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述二维原子系综为二维85Rb原子云；所述三维原子系综为三维85Rb原子云。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述纠缠光子产生单元更包括：
两个透镜，位于所述二维磁光阱两侧，用于收集二维磁光阱发射出的信号光并将其输出。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述纠缠光子产生单元更包括：
两个光束偏移器，分别接收从二维磁光阱出射的信号光，并将接收到的信号光进行合束。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述纠缠光子产生单元更包括：
两个声光调制器，分别接收所述光束偏移器合束后的信号光，并对接收到的信号光进行移频。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述两个泵浦激光器，发射出泵浦光(1)和泵浦光(2)，所述泵浦光(1)和泵浦光(2)是共线的。
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