CN112652344B - 自旋布居数锁定的光子存储方法 - Google Patents
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Abstract
一种自旋布居数锁定的光子存储方法，其包括：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，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；以及对光子回波信号的读取过程。本发明的存储方法实现了小时至天量级的超长寿命光子存储器，可用于量子加密U盘、远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种自旋布居数锁定的光子存储方法。
背景技术
光子存储器指能够相干地存储光子状态的存储器。光子存储器是量子网络的核心器件，是实现远程量子通信的前提。目前用于实现光子存储器的而具体物理系统包括：冷原子、热原子、稀土掺杂晶体以及腔内单个原子等。各种物理系统都有各自的优势及劣势，但综合而言，光子存储器的技术指标都无法满足实用化量子网络建设的具体需求。其中一个关键的技术需求就是长寿命的光子存储，因为存储时间决定了网络点间的信道距离以及能实现的最远量子态传输距离。
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。其中分钟量级的经典光存储只是观察了经典图像的存储，未证明存储装置对光场相干性的保护能力[参考文献：G.Heinze,C.Hubrich and T.Halfmann,Phys.Rev.Lett.111,033601(2013).]。光子存储的主要方法包括：电磁感应诱导透明、拉曼散射、原子频率梳等。在已有的存储方案上进一步提升存储寿命都遇到了重大的技术挑战。
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供一种自选布居数锁定的光子存储方法，以至少部分解决上述问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供一种自旋布居数锁定的光子存储方法，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模式泵浦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；
以及对光子回波信号的读取，用于在入射信号的原方向上读取出信号。
在进一步的实施方案中，掺有Eu3+离子的存储介质为掺有同位素提纯的151Eu3+或153Eu3+的透明单晶。
在进一步的实施方案中，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，包括：施加至少三束与样品光学跃迁共振的扫描激光，从掺有Eu3+离子的存储介质非均匀展宽的吸收线中选择出一个能级结构一致的离子系综；撤除其中一束扫描激光，将离子系综的自旋状态极化为同一初态的aux能级；施加与aux能级至激发态跃迁的扫描激光，同时施加与s能级至激发态跃迁的扫描激光，形成在透明带内的一个孤立的吸收线，吸收线内离子布居数处于g能级上。
在进一步的实施方案中，基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备包括：对存储晶体施加Laguerre-Gaussian模式泵浦光场，其光场中心为100um左右直径的黑洞，能量集中在外圈；其中一束扫描激光与基态g能级与激发态e能级跃，扫描带宽10MHz量级，用于消除g-e跃迁的吸收；另一束扫描激光与基态s能级与激发态e能级跃，扫描带宽10MHz量级，用于消除s-e跃迁的吸收。
在进一步的实施方案中，基于两个π/2脉冲的光子回波存储，包括：与g-e跃迁共振的信号光子脉冲；与g-e跃迁共振的第一π/2脉冲；与g-e跃迁共振的第二π/2脉冲。
在进一步的实施方案中，基于两个π脉冲的自旋布居数锁定，包括：
与s-e跃迁共振的第一π脉冲；与s-e跃迁共振的第二π脉冲。
在进一步的实施方案中，对光子回波信号的读取包括：与g-e跃迁共振的第一π脉冲。
在进一步的实施方案中，π/2脉冲以及π脉冲满足绝热快速通道条件，提高脉冲的鲁棒性。
在进一步的实施方案中，与s-e跃迁共振的第一π脉冲以及与s-e跃迁共振的第二π脉冲插入在与g-e跃迁共振的第一π/2脉冲以及与g-e跃迁共振的第二π/2脉冲之间。
在进一步的实施方案中，存储方法各步骤中的π/2脉冲以及π脉冲均与信号光子脉冲的传播方向不共线。
(三)有益效果
本发明提供了一种自旋布居数锁定的光子存储方法，通过将初态制备技术、受激光子回波技术以及拉曼自旋转移技术结合起来，基于Eu3+离子的基态核自旋能态的布居数寿命实现了小时至天量级的超长寿命光子存储器，可用于量子加密U盘、远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。该存储方法具有存储寿命长、噪声低及易于实现的特点。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例自旋布居数锁定的长寿命光子存储方法制备的离子系综113的能级结构图；
图2示意性示出了本公开实施例的自旋布居数锁定的长寿命光子存储方法中的光路图；
图3示意性示出了本公开实施例的自旋布居数锁定的长寿命光子存储方法存储控制序列图；
图4示意性示出了本公开实施例实现3.6小时存储后输出的光脉冲信号。
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自旋布居数锁定的光子存储方法，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(即透明背景下的孤立吸收峰)；基于Laguerre-Gaussian模式泵浦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；以及光子回波信号的读取过程，用于在入射信号的原方向上读取出信号，降低存储过程的噪声。
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，存储介质选取为10mm长的0.1％浓度151Eu3+掺杂的YSO晶体为例，其能级结构参见图1。这里选取7F0下能级的1/2核自旋能态为g能级，3/2核自旋能态为s能级，5D0上能级的5/2核自旋能级为e能级，7F0下能级的5/2核自旋能态为aux能级。具体可包括：能级筛选及自旋初态制备过程，基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备过程，基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程，基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程，以及光子回波信号的读取过程。以下将具体描述各过程：
能级筛选及自旋初态制备过程，用于从掺有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，并将这些离子的吸收线制备为一个透明背景下的窄带吸收；基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备过程，用于在光传输截面上看制备一个1mm量级直径的透明圆面内制备一个100um量级直径的吸收圆面，用于抑制空间背景吸收导致的噪声。基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程，用于在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子131的短时间存储；基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程，用于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；以及光子回波信号的读取过程，用于用于在入射信号的原方向上读取出信号，降低存储过程的噪声。
能级筛选及自旋初态制备过程，用于从掺有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，并将这些离子的吸收线制备为一个透明背景下的窄带吸收；基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备过程，用于在光传输截面上看制备一个1mm量级直径的透明圆面内制备一个100um量级直径的吸收圆面，用于抑制空间背景吸收导致的噪声。
能级筛选及初态制备是本发明的一个核心技术。当存储介质没有执行能级筛选及初态制备时，入射的信号光子将会被各种共振的离子所吸收。由于晶体普遍存在非均匀展宽，这些离子的具体能级结构各不相同。这使得后面的各种控制脉冲都无法做到对所有离子同时优化，从而导致低的存储效率以及很大的噪声。而存储介质经过能级筛选和初态制备后，只有一种类型能级结构的离子参与相互作用。并且带内吸收线宽较窄，所施加的所有控制脉冲理论上可以做到100％精度，故由脉冲误差导致的噪声变小且存储效率更高。另一方面，由于其他失斜频率的离子在此处没有吸收，故可以抑制其他失斜频率的背景吸收导致的噪声。这是本发明实现单光子量级存储的关键所在。
具体的，能级筛选及自旋初态制备过程包括：存储晶体的控制光首先制备存储晶体的吸收带，目标吸收带为在一个6MHz线宽的透明带内制备一个1MHz线宽的窄带吸收线。
参考图1给出的存储晶体151Eu3+掺杂的YSO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。
基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备过程12目标为在光传输截面上看制备一个1mm量级直径的透明圆面内制备一个100um量级直径的吸收圆面，用于抑制空间背景吸收导致的噪声。
基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备是本发明的一个核心技术。当存储介质没有执行空间吸收结构的制备时，后面入射的控制脉冲将会被空间上大范围的离子所吸收。由于控制脉冲在空间上是尺寸有限且不均匀的，光斑边缘的离子所感受的控制脉冲能量较低，无法实现高精度的脉冲面积控制。从而导致错误的脉冲操作，产生很大的噪声。而存储介质经过空间吸收结构制备后，只有空间中心区域的离子参与相互作用。这一区域空间尺度较小，所施加的所有控制脉冲理论上可以做到100％精度，故由脉冲误差导致的噪声变小。这是本发明实现单光子量级存储的另一关键所在。
具体地，在所述能级筛选及自旋初态制备过程完成后，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。
其中一束激光在f0频率附近扫描，扫描带宽6MHz，用于消除g-e跃迁的吸收；
另一束激光同时在f1频率附近扫描，扫描带宽6MHz，用于消除s-e跃迁的吸收；
基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程，用于在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子的短时间存储。
具体的，基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程包括：
与g-e跃迁共振的信号光子脉冲，可以设置光脉冲为脉冲宽度约1us的高斯波。；
与g-e跃迁共振的第一π/2脉冲，脉冲面积为π/2，可以设置脉冲转移带宽为2MHz；此处脉冲面积pulse area应由原子的拉比振荡测定，以下提到的所有脉冲面积概念均类同。
与g-e跃迁共振的第二π/2脉冲，脉冲面积为π/2，可以设置脉冲转移带宽为2MHz。
基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程，用于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。
具体的，基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程包括：
与s-e跃迁共振的第一π脉冲，脉冲面积为π，可以设置脉冲转移带宽为2MHz；
与s-e跃迁共振的第二π脉冲，脉冲面积为π，可以设置脉冲转移带宽为2MHz。
Eu3+离子的基态核自旋能态的布居数寿命在各种材料中都很长，短的有小时量级，在YSO晶体可长达22天[参见文献：F.Konz，et al.,Physical Review B 68,085109(2003)]，故只需拉长脉冲141与脉冲之间的时间间隔，即可延长存储寿命。
光子回波信号的读取过程，用于用于在入射信号的原方向上读取出信号，降低存储过程的噪声。
具体的，施加与g-e跃迁共振的第一π脉冲，脉冲面积为π，可以设置脉冲转移带宽为2MHz。
这是本实施例实现高信噪比的一个核心技术，在g-e跃迁上，前面已施加两个π/2脉冲，故系综的布居数处于上能级远大于下能级的翻转状态；此处施加的与g-e跃迁共振的第一π脉冲，使得系综的布居数重新恢复到主要在下能级状态中，故有效避免了受激荧光噪声。
具体的，所有的控制光脉冲满足绝热快速通道条件，提高脉冲的鲁棒性。这里可以采用complex hyperbolic secant(CHS)型控制脉冲，由常规的任意波发生器即可生成。CHS型控制脉冲的详细介绍参考文献：I.Roos and K.Molmer,Phys.Rev.A 69,022321(2004)。
具体的，所有泵浦光/控制光与信号光采用交叉光路的方法在存储介质上重合，参见图2。采用反向的、非共线的控制光可以抑制常规受激光子回波的发射，只有在施加与g-e跃迁共振的第一π脉冲之后，才会有信号发射。信号出射方向与入射信号方向一致，但与泵浦光/控制光不共线，故有利于压制噪声。
具体的，控制光在存储介质上的光斑直径可以设置为200um，信号光在存储介质上的光斑直径可以设置为60um，确保信号光处于控制光较为均匀的光斑中心区域。
完整的存储控制脉冲序列参见图3。图中脉冲之间的实际时间间隔很长，可以到小时量级以上，其他脉冲间的时间间隔均为微秒量级。
图4给出了实测的光存储信号，入射信号脉冲包含光子数为107光子量级，该信号由灵敏的PMT探测器采集，信号光脉冲经历了3.6小时的存储时间。这一存储时间远远超出了已知的光存储器寿命(已知的最长存储寿命为1分钟)，且满足量子加密U盘应用的基本需求。
以上实施例通过将初态制备技术、受激光子回波技术以及拉曼自旋转移技术结合起来，基于Eu3+离子的基态核自旋能态的布居数寿命实现长寿命的光子存储。该核自旋能级的布居数寿命可以达到一个月。故该存储方法支持小时量级以上的超长寿命光子存储器，可用于量子加密U盘、远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。该存储方法具有存储寿命长、噪声低及易于实现的特点。
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 (8)
1.一种自旋布居数锁定的光子存储方法，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模式泵浦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；
以及对光子回波信号的读取，用于在入射信号的原方向上读取出信号；
所述从掺有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，包括：
施加至少三束与样品光学跃迁共振的扫描激光，从掺有Eu3+离子的存储介质非均匀展宽的吸收线中选择出一个能级结构一致的离子系综；
撤除其中一束扫描激光，将离子系综的自旋状态极化为同一初态的aux能级；
施加与aux能级至激发态跃迁的扫描激光，同时施加与s能级至激发态跃迁的扫描激光，形成在透明带内的一个孤立的吸收线，吸收线内离子布居数处于g能级上；
所述基于Laguerre-Gaussian模式泵浦光场的空间吸收结构制备包括：
对存储晶体施加Laguerre-Gaussian模式泵浦光场，其光场中心为100um左右直径的黑洞，能量集中在外圈；
其中一束扫描激光与基态g能级与激发态e能级跃，扫描带宽10MHz量级，用于消除g-e跃迁的吸收；
另一束扫描激光与基态s能级与激发态e能级跃，扫描带宽10MHz量级，用于消除s-e跃迁的吸收。
2.根据权利要求1所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，所述掺有Eu3+离子的存储介质为掺有同位素提纯的151Eu3+或153Eu3+的透明单晶。
3.根据权利要求1所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，所述基于两个π/2脉冲的光子回波存储，包括：
与g-e跃迁共振的信号光子脉冲；
与g-e跃迁共振的第一π/2脉冲；
与g-e跃迁共振的第二π/2脉冲。
4.根据权利要求3所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，基于两个π脉冲的自旋布居数锁定，包括：
与s-e跃迁共振的第一π脉冲；
与s-e跃迁共振的第二π脉冲。
5.根据权利要求1所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，对光子回波信号的读取包括：
与g-e跃迁共振的第一π脉冲。
6.根据权利要求3，4或5所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，所述π/2脉冲以及π脉冲满足绝热快速通道条件，提高脉冲的鲁棒性。
7.根据权利要求4所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，所述与s-e跃迁共振的第一π脉冲以及所述与s-e跃迁共振的第二π脉冲插入在与所述g-e跃迁共振的第一π/2脉冲以及所述与g-e跃迁共振的第二π/2脉冲之间。
8.根据权利要求3，4或5所述的自旋布居数锁定的光子存储方法，存储方法各步骤中的π/2脉冲以及π脉冲均与信号光子脉冲的传播方向不共线。
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