CN112652343B - 量子加密存储装置 - Google Patents

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Abstract

一种量子加密存储装置，包括：样品腔(11)，用于装载存储晶体及滤波晶体并用于冷却存储晶体及滤波晶体至预设温度；激光控制系统(12)，用于产生控制光和信号光，实现所述信号光的基于自旋布居数锁定的量子存储；量子态编码及分析系统(13)，用于对信号光子实现量子态编码及分析；滤波系统(14)，用于抑制控制光引入的噪声，提取信号光子。该存储装置具有存储寿命长、信噪比高、抗干扰能力强等优点，设备简单且易于操作。

Description

量子加密存储装置
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及可以长时间存储单光子的量子加密存储装置。
背景技术
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。目前，量子通信所面临的主要挑战是实现远距离量子通信。光子是量子信息传递的天然载体，然而由于光子在光纤中的传输损耗随着传输距离呈指数级递增，即使利用通讯波段超低损耗光纤，目前传输距离也被限制在五百公里以下。由于量子态不可克隆定律，经典通讯中利用放大器对信号进行直接放大的方法对于量子通信也并不适用。
一种可行的远程量子通信方案是量子加密存储方案，它首先把光子存入超长寿命的量子存储器(或称为量子加密U盘)，接着利用经典运输手段运输量子加密存储装置实现光子的远距离传输。考虑千公里级的传输距离和300公里/小时的运输速度，量子加密存储装置至少需要支持小时量级的存储寿命且支持高信噪比的光子存储。
当前光子存储器实现单光子的最长存储寿命为百毫秒量级，经典强光的最长存储寿命为分钟量级[参考文献：G.Heinze,C.Hubrich and T.Halfmann,Phys.Rev.Lett.111,033601(2013).]。这样的存储寿命远没有达到量子加密存储装置所需的存储时间，量子加密存储装置的物理实现存在重大技术挑战。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于以上技术问题，本发明提供了一种量子加密存储装置，以实现单光子级别的长寿命存储。
(二)技术方案
本发明提供一种量子加密存储装置，包括：
样品腔，用于装载存储晶体及滤波晶体并用于冷却存储晶体及滤波晶体至预设温度；
激光控制系统，用于产生控制光和信号光，实现所述信号光的基于自旋布居数锁定的量子存储；
量子态编码及分析系统，用于对信号光子实现量子态编码及分析；
滤波系统，用于抑制控制光引入的噪声，提取信号光子。
在进一步的实施方案中，样品腔包括：低温腔，用于冷却存储晶体至预设温度；振动同步装置，用于同步监测低温腔的振动信号。
在进一步的实施方案中，激光控制系统包括：稳频激光器，用于产生多束激光；第一声光调制器，用于将一束所述激光调制为存储晶体的控制光；第二声光调制器，用于将一束所述激光调制为单光子级别的信号光；第三声光调制器，用于将一束所述激光调制为滤波晶体的控制光；第四声光调制器以及螺旋相位片，用于将一束所述激光调制为存储晶体的Laguerre-Gaussian模式控制光。
在进一步的实施方案中，量子态编码及分析系统包括：量子态编码装置，用于将所述信号光加载特定的量子态；量子态分析装置，用于分析所述信号光的量子态。
在进一步的实施方案中，滤波系统包括：单模光纤，用于在空间上滤除噪声；窄带滤波片，用于在1nm量级精度上滤除频谱噪声；高速光开关，用于在时间上滤除噪声；滤波晶体，用于在1MHz量级精度上滤除频谱噪声。
在进一步的实施方案中，采用的存储方案为自旋布居数锁定的长寿命存储方法，且所述控制光配置为同时完成存储晶体及滤波晶体的吸收带制备目标。
在进一步的实施方案中，存储晶体为151Eu3+或153Eu3+掺杂的稀土掺杂晶体。
在进一步的实施方案中，信号光及控制光的偏振态为相互正交的偏振态且与存储晶体的偏振轴向对齐，用于抑制控制光导致的噪声。
在进一步的实施方案中，量子加密存储装置还包括隔震平台，所述样品腔、激光控制系统、量子态编码及分析系统以及滤波系统整体封装在所述隔震平台上。
(三)有益效果
本发明提供了一种量子加密存储装置，通过将长寿命量子存储器与多自由度滤波技术结合起来，实现超长寿命的光子量子态存储，可用于远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。该存储装置具有存储寿命长、信噪比高、抗干扰能力强等优点，设备简单且易于操作。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的量子加密存储装置的结构图；
图2示意性示出了本公开实施例的量子加密存储装置的工作示意图；
图3示意性示出了本公开实施例的存储晶体的能级结构及制备方式示意图；
图4示意性示出了本公开实施例的量子加密存储实际长寿命单光子存储的时间谱图。
具体实施方式
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。
本发明实施例提供了一种量子加密存储装置，包括：样品腔11，用于装载存储晶体111及滤波晶体144并用于冷却存储晶体111及滤波晶体144至预设温度；激光控制系统12，用于产生控制光和信号光，实现所述信号光的基于自旋布居数锁定的量子存储；量子态编码及分析系统13，用于对信号光子实现量子态编码及分析；滤波系统14，用于抑制控制光场引入的噪声，提取信号光子。该装置通过将长寿命量子存储器与多自由度滤波技术结合起来，实现超长寿命的光子量子态存储。其中，这里的预设温度是为了冷却晶体内的电子-声子相互作用，延长相干时间，温度取值范围低于4K，可选的如3.5K。
其中，基于自旋布居数锁定的量子存储可以包括：从掺有Eu3+离子的存储晶体中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将离子系综内离子的吸收线制备为透明背景下的孤立吸收峰；基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备，以在所述离子系综上制备出空间上中心吸收而外围透明的吸收结构；基于两个π/2脉冲的光子回波存储，在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子的存储；基于两个π脉冲的自旋布居数锁定，把信号光子存储为基态g能级-基态s能级跃迁上的布居数结构，延长存储寿命至自旋布居数寿命的量级；以及对光子回波的读取，在入射信号的原方向上读取出信号。
在下文将参照附图更详细地描述本发明的示范性实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式体现，而不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示范性实施例使得该公布透彻和完整，并将本发明的构思充分传达给本领域的技术人员。在所有附图中，相同的附图标记代表相同的元件。为了解释的方便，各种元件和区域示意性地示出，因此，本发明的构思不限于此。
示范性实施例中，参见图1所示，量子加密存储装置包括样品腔11，用于装载存储晶体111并提供低温环境；激光控制系统12，用于产生控制光和信号光，实现自旋布居数锁定的长寿命存储方案；量子态编码及分析系统13，用于对信号光子实现量子态编码及分析；滤波系统14，用于抑制控制光场引入的噪声，提取信号光子；隔震平台15，用于隔离环境振动。以下将以具体的实施例对其进行详细的介绍，参见图2。
对于上述样品腔11，用于装载待测存储晶体111以及滤波晶体144；
具体的，低温腔112，用于冷却存储晶体111至预设温度，此处设定工作温度为3K，采用无液氦压缩机制冷；存储晶体采用浓度为0.1％的151Eu3+掺杂的YSO晶体，厚度10mm。
振动同步装置113，用于同步监测低温腔112的振动信号。
量子加密存储装置包括激光控制系统12，用于产生控制光和信号光；
具体的，稳频激光器121，选取参数为PDH稳频的580nm激光器，功率1W，线宽0.2kHz；
第一声光调制器122，选取参数为200MHz中心频率的声光调制器，用于将所述激光调制为存储晶体的控制光；控制光的控制方式参考自旋布居数锁定的长寿命量子存储方法的控制序列，具体包括：首先选择一种能级类型的离子并初始化离子状态，然后依据序列要求，产生两个π/2脉冲、两个自旋转移π脉冲以及一个用于布居数翻转的π脉冲。
第二声光调制器123，选取参数为200MHz中心频率的声光调制器，用于将所述激光调制为单光子级别的信号光；典型参数选取为1us脉宽的单光子量级的脉冲。
第三声光调制器124，选取参数为200MHz中心频率的声光调制器，用于将所述激光调制为滤波晶体的控制光；典型参数选取为在目标频率附近1MHz扫描激光频率。
第四声光调制器125，选取参数为200MHz中心频率的声光调制器，以及螺旋相位片126，选取为580nm的一阶螺旋相位片，用于将所述激光调制为存储晶体的一阶Laguerre-Gaussian模式控制光。
量子加密存储装置包括量子态编码及分析系统13，用于对信号光子实现量子态编码及分析；
具体的，量子态编码装置131，用于将所述信号光子加载特定的量子态；量子态分析装置132，用于分析所述信号光子的量子态。本实施例中选择光的轨道角动量自由度加载量子态，量子态编码装置131以及量子态分析装置132分别为两个空间光调制器，分辨率512*512，像素元8um大小。
量子加密存储装置包括滤波系统14，用于抑制控制光场引入的噪声，提取信号光子；
具体的，单模光纤141，用于在空间上滤除噪声；选取460nm单模保偏光纤；
窄带滤波片142，用于在1nm量级精度滤除频谱噪声；选取1nm带宽，透过率大于99％的干涉滤波片；
高速光开关143，用于在时间上滤除噪声；选取高速电光调制晶体，开关速度为3ns，消光比10000:1；
滤波晶体144，用于在1MHz量级精度上滤除频谱噪声，滤波晶体采用浓度为0.1％的151Eu3+掺杂的YSO晶体，厚度15mm
本实施例中，信号光的偏振态对齐YSO晶体的D1轴向，以增强样品吸收。而所有控制光的偏振态对齐YSO晶体的D1轴向。信号光与控制光的偏振态相互正交用于抑制控制光导致的噪声。
量子加密存储装置还可以包括隔震平台15，用于隔离环境振动。
具体的，选取基于压电陶瓷控制的主动反馈平台。
本发明实施例中，存储过程与低温腔振动同步装置113探测到的振动信号严格同步，选取低振动时间窗口执行光子存储操作。
本发明实施例中，采用的具体存储方案为自旋布居数锁定的长寿命存储方法，且控制光应同时完成存储晶体111及滤波晶体144的吸收带制备目标。
参考图3所示的能级结构，控制光的操作主要包括以下四个步骤：
一、存储晶体的能级选择及初态制备：
对存储晶体的吸收带制备目标是在一个6MHz线宽的透明带内制备一个1MHz线宽的窄带吸收线，且吸收线内所有离子都处于g能级上。具体制备方法可包括：从掺有Eu3+离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将离子系综下离子的吸收线制备为透明背景下的窄带吸收；
参考图3给出的存储晶体能级结构，一种代表性的实现方法如下：
第一步：首先同时施加f0、f1、f2三种频率的扫频光场，其中f0光束与g-e跃迁共振，f1光束与g-s跃迁共振，f2光束与aux能级至5D0上能级的3/2核自旋能态跃迁共振。每种频率光场在中心频率附近+/-3MHz扫描。第一步实现了同种能级结构离子系综的选择。此处设置f0、f1、f2分别为400MHz，434.54MHz，379.08MHz，对应了151Eu3+离子在YSO晶体中的精细能级结构
第二步：撤除f2扫描激光，继续执行f1及f0扫频激光，用于将离子系综113的自旋状态极化为同一初态，即aux能级；
第三步：撤除所有上述扫描激光，施加一束在f2频率附近+/-0.5MHz扫描的弱泵浦光场，同时施加一束在f1频率附近+/-0.5MHz扫描的弱泵浦光场，在2MHz带宽范围内把布居数制备到为同一初态，即7F0下能级的1/2核自旋能态。
经过以上三步操作，在f0频率附近观察存储晶体的吸收谱，将呈现出一个6MHz的透明带内，孤立出一个1MHz线宽的吸收线。满足本发明对初态制备的需求，降低存储装置噪声。
使用第一声光调制器122，并采用双次通过调制器的光路完成。
二、存储晶体的空间吸收结构制备：
对存储晶体的空间域吸收结构的制备目标为，从光传输在存储晶体的截面上看，制备一个1mm直径的透明区域，中心100um直径形成有效吸收。具体制备方法可包括：基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备，以在所述离子系综上制备出空间上中心吸收而外围透明的吸收结构。
在上述存储晶体的能级选择及初态制备完成后，施加Laguerre-Gaussian模式光场，其光场中心为100um左右的黑洞，能量集中在外圈，光斑总大小为1mm左右。
其中部分激光在f0频率附近扫描，扫描带宽6MHz，用于消除g-e跃迁的吸收；
另一部分激光同时在f1频率附近扫描，扫描带宽6MHz，用于消除s-e跃迁的吸收；
经过以上操作上，在存储晶体的光传输截面上观察，对信号光以及控制光操控脉冲而言，晶体呈现出一个1mm直径圆的透明区域，中心孤立出一个100um直径圆的吸收带，有效地抑制了操控脉冲的空间不理想性导致的光噪声。
使用第四声光调制器125，并采用双次通过调制器的光路完成。为了加载Laguerre-Gaussian模式，该光场再经过一个一阶Laguerre-Gaussian模式的螺旋相位片126的相位调制，形成一个具有中心黑洞的环状光束。
三、滤波晶体的吸收带制备：
对滤波晶体的吸收带制备目标是制备一个1MHz线宽的透过带，而背景是一个2GHz以上的强吸收带。使用第三声光调制器124，并采用双次通过调制器的光路完成。
四、存储晶体的存储控制过程：
具体的，按照自旋布居数锁定的长寿命存储方法的控制序列要求，首先使用第二声光调制器123调制出一个1us左右脉宽的信号光脉冲，光场频率为f0；等待1us后，使用第一声光调制器122先后产生一个f0频率的π/2脉冲，1us后施加一个f1频率的π脉冲，经历可控的超长存储时间后，施加一个f1频率的π脉冲，9us后再施加一个f0频率的π/2脉冲；最后，施加一个f0频率的π脉冲。随后，信号光发射。
图4给出了弱光场携带轨道角动量的量子叠加态存储后的输出测量结果。本实施例中，信号脉冲含有的光子数为107量级，采用光电倍增管探测。信号脉冲携带了量子叠加态|LG0,-1>+|LG0,+1>，其中|LG0,-1>以及|LG0,+1>分别对应携带-h/2π及+h/2π的Laguerre-Gaussian模式量子态。本实施例设定存储时间为7.2小时。图中实线对应使用|LG0,-1>+|LG0,+1>测量输出光子的结果，可以看到显著的存储读出信号。而图中虚线对应使用正交基矢|LG0,-1>-|LG0,+1>测量输出光子的结果，可以看到输出光子态与之正交。读出量子态的干涉可见度超过99％，很好地保护了入射脉冲携带的量子态。相比此前已知的存储装置，该装置的存储寿命获得极大提升，且支持光子量子态的存储。
本发明实施例通过将长寿命量子存储器与多自由度滤波技术结合起来，实现超长寿命的光子量子态存储，可用于远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。该存储装置具有存储寿命长、信噪比高、抗干扰能力强等优点，设备简单且易于操作。
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 (9)

1.一种量子加密存储装置，包括：
样品腔(11)，用于装载存储晶体(111)及滤波晶体(144)并用于冷却存储晶体(111)及滤波晶体(144)至预设温度；
激光控制系统(12)，用于产生控制光和信号光，实现所述信号光的基于自旋布居数锁定的量子存储；
量子态编码及分析系统(13)，用于对信号光子实现量子态编码及分析；
滤波系统(14)，用于抑制控制光引入的噪声，提取信号光子。
2.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，所述样品腔(11)包括：
低温腔(112)，用于冷却存储晶体(111)至预设温度；
振动同步装置(113)，用于同步监测低温腔(112)的振动信号。
3.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，所述激光控制系统(12)包括：
稳频激光器(121)，用于产生多束激光；
第一声光调制器(122)，用于将一束所述激光调制为存储晶体的控制光；
第二声光调制器(123)，用于将一束所述激光调制为单光子级别的信号光；
第三声光调制器(124)，用于将一束所述激光调制为滤波晶体的控制光；
第四声光调制器(125)以及螺旋相位片(126)，用于将一束所述激光调制为存储晶体的Laguerre-Gaussian模式控制光。
4.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，所述量子态编码及分析系统(13)包括：
量子态编码装置(131)，用于将所述信号光加载特定的量子态；
量子态分析装置(132)，用于分析所述信号光的量子态。
5.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，所述滤波系统(14)包括：
单模光纤(141)，用于在空间上滤除噪声；
窄带滤波片(142)，用于在1nm量级精度上滤除频谱噪声；
高速光开关(143)，用于在时间上滤除噪声；
滤波晶体(144)，用于在1MHz量级精度上滤除频谱噪声。
6.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，采用的存储方案为自旋布居数锁定的长寿命存储方法，且所述控制光配置为同时完成存储晶体(111)及滤波晶体(144)的吸收带制备目标。
7.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，所述存储晶体(111)为151Eu3+或153Eu3+掺杂的稀土掺杂晶体。
8.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，所述信号光及控制光的偏振态为相互正交的偏振态且与存储晶体(111)的偏振轴向对齐，用于抑制控制光导致的噪声。
9.根据权利要求1所述的量子加密存储装置，还包括隔震平台(15)，所述样品腔(11)、激光控制系统(12)、量子态编码及分析系统(13)以及滤波系统(14)整体封装在所述隔震平台(15)上。
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