CN114520012A - 量子存储装置 - Google Patents

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CN114520012A CN202011305773.2A CN202011305773A CN114520012A CN 114520012 A CN114520012 A CN 114520012A CN 202011305773 A CN202011305773 A CN 202011305773A CN 114520012 A CN114520012 A CN 114520012A
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周宗权
马有志
靳明
李传锋
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Abstract

本公开提供了一种量子存储装置，应用于量子信息技术领域，包括：光发生单元，用于分别产生所述存储单元和所述滤波单元所需的泵浦光，以及，待存储的信号光子，并将所述存储单元所需的泵浦光和所述信号光子输出给所述存储单元，将所述滤波单元所需的泵浦光输出给所述滤波单元；存储单元，用于根据所述存储单元所需的泵浦光实现泵浦，并在脉冲作用下，将所述信号光子存储并传输给所述滤波单元；滤波单元，用于根据所述滤波单元所需的泵浦光实现泵浦，并对所述信号光子进行滤波。

Description

量子存储装置
技术领域
本申请涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子存储装置。
背景技术
自由空间和光纤在传输光子时会不可避免地产生损耗，即使光波长在通讯波段1550nm附近(光纤中损耗最小)，也难以完成光子信息的长程传输。要想进行数百公里以上的量子通信，量子中继是一种可行的方案，它基于量子存储器以及量子纠缠交换，从短程纠缠中制备出远程纠缠。量子存储器作为量子中继的核心部件，它需要高保真地保护输入光子的量子态。如果存储过程中引入过多的噪声会大大降低存储的保真度，导致无法满足量子中继的应用需求。光子回波是一种十分简便的光存储方案，但是由于重聚相(rephasing)过程导致的布局数反转使得大量的自发辐射光子污染输入量子态，因此无法实现单光子量子态存储。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种量子存储装置，可解决上述存储噪声问题。
为实现上述目的，本申请实施例提供一种量子存储装置，包括：
存储单元、光发生单元和滤波单元；
所述光发生单元，用于分别产生所述存储单元和所述滤波单元所需的泵浦光，以及，待存储的信号光子，并将所述存储单元所需的泵浦光和所述信号光子输出给所述存储单元，将所述滤波单元所需的泵浦光输出给所述滤波单元；
所述存储单元，用于根据所述存储单元所需的泵浦光实现泵浦，并在脉冲作用下，将所述信号光子存储并传输给所述滤波单元；
所述滤波单元，用于根据所述滤波单元所需的泵浦光实现泵浦，并对所述信号光子进行滤波。
可选的，所述光发生单元包括：激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器；
所述激光器，用于产生线宽为100kHz以下的激光；
所述第一声光调制器122，用于根据所述激光，调制出所述存储单元所需的泵浦光，以及，第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲，并依次将所述第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲输出给所述存储单元；
所述第二声光调制器，用于根据所述激光，调制出所述待存储的信号光子，并将所述信号光子输出给所述存储单元，在所述第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲的作用下存储所述信号光子并输出给所述滤波单元；
所述第三声光调制器，用于根据所述激光，调制出所述滤波单元所需的泵浦光，并将所述滤波单元所需的泵浦光输出给所述滤波单元。
可选的，所述存储单元的能级由低到高至少包括第一基态、第二基态、第三基态、第一激发态、第二激发态、第三激发态；
所述第一π脉冲与所述第二基态和所述第三激发态跃迁共振；
所述第二π脉冲与所述第三基态和所述第二激发态跃迁共振；
所述第三π脉冲与所述第三基态和所述第二激发态跃迁共振；
所述第四π脉冲与所述第二基态和所述第三激发态跃迁共振；
所述信号光子与所述第三基态和所述第三激发态跃迁共振。
可选的，所述滤波单元包括：单模光纤、滤波片、声光调制器开关、滤波晶体；
所述单模光纤，用于接收由所述存储单元输出的信号光子，滤除空间模式与所述信号光子不同的噪声；
所述滤波片，用于滤除波长与所述信号光子的波长相差预设波长值的噪声；
所述声光调制器开关，用于滤除时间模式与所述信号光子不同的噪声；
所述滤波晶体，用于根据所述滤波单元所需的泵浦光，基于光谱烧孔技术实现泵浦，滤除频率与所述信号光子的频率相差预设频率值以上的噪声。
可选的，所述存储单元的非均匀展宽内具有10MHz量级的烧孔，且中心具有1MHz量级的吸收带，用于抑制非所述信号光子产生的噪声。
可选的，所述存储单元和所述滤波晶体均为稀土离子掺杂晶体，稀土离子种类包括：Pr，Eu，Yb，Er，晶体类型包括：YSO、YVO晶体。
可选的，所述存储单元和所述滤波晶体均在预设温度环境下工作，且均具有长量子相干寿命。
可选的，其中，
S1、同时施加分别与第三基态和第三激发态，第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态，第一基态和第二激发态能级共振的四束扫频激光，所述四束扫频激光激光在中心频率附近+/-2.5MHz扫描；
S2、撤除与第三基态和第三激发态、第一基态和第二激发态共振的两束扫频激光，继续执行第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态共振的两束扫频激光，以用于将自旋状态极化为第五基态能级；
S3、撤除第三基态和第三激发态，第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态，第一基态和第二激发态共振的四束扫描激光，施加一束与第二基态和第三激发态能级共振的带宽5MHz扫描的弱泵浦激光，同时施加一束与第一基态和第二激发态能级共振的带宽700kHz扫描的弱泵浦激光，在700kHz带宽范围内把布局数制备到为同一初态。
经过以上S1至S3，在与第三基态和第三激发态能级共振的频率附近观察所述存储单元的吸收谱，将呈现出一个5MHz的透明带内，孤立出一个700kHz线宽的吸收线。
可选的，依次射入所述信号光子、第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲，以实现无噪声的光子回波量子存储。
可选的，所述第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲同向，且与所述信号光子不共线，仅在所述存储单元上交叉重合。
从上述本申请实施例可知，本申请提供的量子存储装置以及量子存储方法，实现无噪声的量子态存储，可用于量子中继等长距离量子通信方案，具有高信噪比及易于实现等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了本公开实施例的量子存储装置的结构图；
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单元的能级结构及泵浦方案示意图；
图4示意性示出了公开实施例的存储时间序列示意图；
图5示意性示出了本公开实施例的量子存储方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的量子存储装置的结构示意图，该量子存储装置包括：存储单元11、光发生单元12和滤波单元13。
光发生单元12，用于分别产生存储单元11和滤波单元13所需的泵浦光，以及，待存储的信号光子1521，并将存储单元11所需的泵浦光和信号光子1521输出给存储单元11，将滤波单元13所需的泵浦光输出给滤波单元13。
存储单元11，用于根据存储单元11所需的泵浦光实现泵浦，并在脉冲作用下，将信号光子1521传输给滤波单元13。存储单元11采用浓度为0.01％的同位素提纯151Eu3+掺杂的YSO晶体，长度8mm。
滤波单元13，用于根据滤波单元13所需的泵浦光实现泵浦，并对信号光子1521进行滤波。
在本申请其中一个实施例中，参阅图2，光发生单元12包括：激光器121、第一声光调制器122、第二声光调制器123、第三声光调制器124；
激光器121，用于产生线宽为100kHz以下的激光；
第一声光调制器122，用于根据所述激光，调制出存储单元11所需的泵浦光，以及，第一π脉冲1522、第二π脉冲1523、第三π脉冲1524和第四π脉冲1525，并依次将第一π脉冲1522、第二π脉冲1523、第三π脉冲1524和第四π脉冲1525输出给存储单元11；
第二声光调制器123，用于根据所述激光，调制出待存储的信号光子1521，并将信号光子1521输出给存储单元11，在第一π脉冲的作用下存储信号光子1521，第一π脉冲1522、第二π脉冲1523、第三π脉冲1524和第四π脉冲1525的作用下，将信号光子1521存储并输出给滤波单元13；
第三声光调制器124，用于根据所述激光，调制出滤波单元13所需的泵浦光，并将滤波单元13所需的泵浦光输出给滤波单元13。
其中，第一声光调制器122，可以选取参数为200MHz中心频率的声光调制器，用于将所述激光调制为存储单元11所需的泵浦光，该泵浦光用于实现无噪声的光子回波量子存储方法的泵浦序列，即第一π脉冲1522、第二π脉冲1523、第三π脉冲1524和第四π脉冲1525。
第二声光调制器123，选取参数为200MHz中心频率的声光调制器。其中，第二声光调制器123调制出的信号光子1521，脉宽在2us左右，光场频率与第三基态和第三激发态能级共振。
第三声光调制器124，选取参数为200MHz中心频率的声光调制器，典型参数选取为在目标频率附近1MHz量级扫频。
在本申请其中一个实施例中，参阅图3，所述存储单元的能级由低到高至少包括第一基态(图3中示为7F0，5/2)、第二基态(图3中示为7F0，3/2)、第三基态(图3中示为7F0，1/2)、第一激发态(图3中示为5D0，1/2)、第二激发态(图3中示为5D0，3/2)、第三激发态(图3中示为5D0，5/2)；
第一π脉冲1522与第二基态和第三激发态跃迁共振；
第二π脉冲1523与第三基态和第二激发态跃迁共振；
第三π脉冲1524与第三基态和第二激发态跃迁共振；
第四π脉冲1525与第二基态和第三激发态跃迁共振；
信号光子1521与第三基态和第三激发态跃迁共振。
在存储单元11的存储控制过程中，参阅图4，第二声光调制器123调制出信号光子1521并输出给存储单元11，使用第一声光调制器122依次产生第一π脉冲1522、第二π脉冲1523，并输出给存储单元11，经历可控的存储时间，例如5us、7us等，再使用第一声光调制器122依次产生第三π脉冲1524和第四π脉冲1525，并输出给存储单元11，随后，信号光子1521经存储后发射。
在本申请其中一个实施例中，滤波单元13包括：单模光纤131、滤波片132、声光调制器开关133、滤波晶体134；
单模光纤131，用于接收由存储单元11输出的信号光子1521，滤除空间模式与信号光子1521不同的噪声；
滤波片132，用于滤除波长与信号光子1521的波长相差预设波长值的噪声，该预设波长值在1nm以上；
声光调制器开关133，用于滤除时间模式与信号光子1521不同的噪声；
滤波晶体134，用于根据滤波单元13所需的泵浦光，基于光谱烧孔技术实现泵浦，滤除频率与信号光子1521的频率相差预设频率值以上的噪声。该预设频率值为1MHz以上。
其中，单模光纤131选取633nm的单模光纤，滤波片132选取1nm带宽，透过率大于99％的干涉滤波片。高速光开关，选取高速电光调制晶体，开关速度为10ns，消光比10000∶1。滤波晶体134采用浓度为0.1％的151Eu3+掺杂的YSO晶体，厚度15mm。
在本申请中，信号光子1521和泵浦光的偏振态对齐YSO晶体的D1轴向，以增强样品吸收。
在本申请其中一个实施例中，存储单元11的非均匀展宽内具有10MHz量级的烧孔，且中心具有1MHz量级的吸收带，用于抑制非信号光子1521产生的噪声。
具体的，对存储单元11的吸收带制备目标是在存储单元11的非均匀展宽内制造5MHz的烧孔，并在其中心制造700kHz的吸收带，所有离子均处于基态1能级。具体制备方法参考：
根据图3给出的存储单元11能级结构，一种代表性的实现方法如下：
第一步：首先同时施加分别与第三基态和第三激发态，第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态，第一基态和第二激发态能级共振的扫频激光。所有光场在中心频率附近+/-2.5MHz扫描。第一步实现了离子选择。此处设置第三基态和第三激发态，第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态，第一基态和第二激发态能级共振的光场分别为430.00MHz，328.00MHz，464.50MHz，408.70MHz，对应了151Eu3+离子在YSO晶体中的精细能级结构。
第二步：撤除与第三基态和第三激发态、第一基态和第二激发态共振扫描激光，继续执行其余两束扫频激光，用于将自旋状态极化为同一初态，即第三基态能级；
第三步：撤除所有上述扫描激光，施加一束与第二基态和第三激发态能级共振的带宽5MHz扫描的弱泵浦激光，同时施加一束与第一基态和第二激发态能级共振的带宽700kHz扫描的弱泵浦激光，在700kHz带宽范围内把布局数制备到为同一初态。
经过以上三步操作，在与第三基态和第三激发态能级共振的频率附近观察存储单元11的吸收谱，将呈现出一个5MHz的透明带内，孤立出一个700kHz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。
在本申请其中一个实施例中，存储单元11和滤波晶体134均在预设温度环境下工作，且均具有长量子相干寿命。
具体的，可以将存储单元11放置于低温腔内工作。其中，低温腔设定工作温度也即上述预设温度为3.5K，可采用无液氦压缩机制冷。
具体的，可以将滤波晶体134也放置于低温腔内工作。更多的，滤波晶体134和存储单元11可以放置于同一低温腔内，或者不同低温腔内。
在本申请其中一个实施例中，滤波晶体134具有1MHz线宽的透明窗口，透明窗口的背景是吸收深度为6至20之间的强吸收带。
在本申请其中一个实施例中，所有的π脉冲同向，且与信号光子基本方向，二者仅在存储单元上交叉重合。
图5为本申请一实施例提供的量子存储方法的流程示意图，该方法利用图1至图4所示的量子存储装置实现，该方法主要包括以下步骤：
S501、利用光发生单元分别产生存储单元和滤波单元所需的泵浦光，以及，待存储的信号光子；
S502、将所述存储单元所需的泵浦光和所述信号光子输出给所述存储单元，以及，将所述滤波单元所需的泵浦光输出给所述滤波单元；
S503、根据所述存储单元所需的泵浦光对所述存储单元实现泵浦；
S504、在脉冲作用下，将所述信号光子存储并传输给所述滤波单元；
S505、根据所述滤波单元所需的泵浦光对所述存储单元实现泵浦，并对所述信号光子进行滤波；
S506、将滤波后的所述信号光子发送给待接收装置。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种量子存储装置，其特征在于，包括：光发生单元、存储单元和滤波单元；
所述光发生单元，用于分别产生所述存储单元和所述滤波单元所需的泵浦光，以及，待存储的信号光子，并将所述存储单元所需的泵浦光和所述信号光子输出给所述存储单元，将所述滤波单元所需的泵浦光输出给所述滤波单元；
所述存储单元，用于根据所述存储单元所需的泵浦光实现泵浦，并在脉冲作用下，将所述信号光子存储并传输给所述滤波单元；
所述滤波单元，用于根据所述滤波单元所需的泵浦光实现泵浦，并对所述信号光子进行滤波。
2.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述光发生单元包括：激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器；
所述激光器，用于产生线宽为100kHz以下的激光；
所述第一声光调制器，用于根据所述激光，调制出所述存储单元所需的泵浦光，以及，第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲，并依次将所述第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲输出给所述存储单元；
所述第二声光调制器，用于根据所述激光，调制出所述待存储的信号光子，并将所述信号光子输出给所述存储单元，在所述第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲的作用下存储所述信号光子并输出给所述滤波单元；
所述第三声光调制器，用于根据所述激光，调制出所述滤波单元所需的泵浦光，并将所述滤波单元所需的泵浦光输出给所述滤波单元。
3.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述存储单元的能级由低到高至少包括第一基态、第二基态、第三基态、第一激发态、第二激发态、第三激发态；
所述第一π脉冲与所述第二基态和所述第三激发态跃迁共振；
所述第二π脉冲与所述第三基态和所述第二激发态跃迁共振；
所述第三π脉冲与所述第三基态和所述第二激发态跃迁共振；
所述第四π脉冲与所述第二基态和所述第三激发态跃迁共振；
所述信号光子与所述第三基态和所述第三激发态跃迁共振。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的量子存储装置，其特征在于，所述滤波单元包括：单模光纤、滤波片、声光调制器开关、滤波晶体；
所述单模光纤，用于接收由所述存储单元输出的信号光子，滤除空间模式与所述信号光子不同的噪声；
所述滤波片，用于滤除波长与所述信号光子的波长相差预设波长值的噪声；
所述声光调制器开关，用于滤除时间模式与所述信号光子不同的噪声；
所述滤波晶体，用于根据所述滤波单元所需的泵浦光，基于光谱烧孔技术实现泵浦，滤除频率与所述信号光子的频率相差预设频率值以上的噪声。
5.根据权利要求4所述的量子存储装置，其特征在于，所述存储单元的非均匀展宽内具有10MHz量级的烧孔，且中心具有1MHz量级的吸收带，用于抑制非所述信号光子产生的噪声。
6.根据权利要求4所述的量子存储装置，其特征在于，所述存储单元和所述滤波晶体均为稀土离子掺杂晶体，稀土离子种类包括：Pr，Eu，Yb，Er，晶体类型包括：YSO、YVO晶体。
7.根据权利要求4所述的量子存储装置，其特征在于，所述存储单元和所述滤波晶体均在预设温度环境下工作，且均具有长量子相干寿命。
8.根据权利要求3所述的量子存储装置，其特征在于，其中，
S1、同时施加分别与第三基态和第三激发态，第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态，第一基态和第二激发态能级共振的四束扫频激光，所述四束扫频激光激光在中心频率附近+/-2.5MHz扫描；
S2、撤除与第三基态和第三激发态、第一基态和第二激发态共振的两束扫频激光，继续执行第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态共振的两束扫频激光，以用于将自旋状态极化为第五基态能级；
S3、撤除第三基态和第三激发态，第二基态和第三激发态，第三基态和第二激发态，第一基态和第二激发态共振的四束扫描激光，施加一束与第二基态和第三激发态能级共振的带宽5MHz扫描的弱泵浦激光，同时施加一束与第一基态和第二激发态能级共振的带宽700kHz扫描的弱泵浦激光，在700kHz带宽范围内把布局数制备到为同一初态。
经过以上S1至S3，在与第三基态和第三激发态能级共振的频率附近观察所述存储单元的吸收谱，将呈现出一个5MHz的透明带内，孤立出一个700kHz线宽的吸收线。
9.根据权利要求3所述的量子存储装置，其特征在于，其中，
依次射入所述信号光子、第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲，以实现无噪声的光子回波量子存储。
10.根据权利要求3所述的量子存储装置，其特征在于，所述第一π脉冲、第二π脉冲、第三π脉冲和第四π脉冲同向，且与所述信号光子不共线，仅在所述存储单元上交叉重合。
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