KR102347720B1 - 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 포함하는 양자 메모리 시스템 및 양자 리피터 시스템 및 그의 제조 방법 - Google Patents

도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 포함하는 양자 메모리 시스템 및 양자 리피터 시스템 및 그의 제조 방법 Download PDF

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다니엘 아로이시우스 놀란
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Abstract

양자 메모리 시스템은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치, 자기장 생성 유닛, 및 하나 이상의 펌프 레이저를 포함한다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고, 하나 이상의 펌프 레이저는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 희토류 원소 도판트의 적어도 50%가 결정 격자의 입자 경계로부터 떨어진 위치에서 결정 격자의 입자 내로 도핑되도록, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑된다.

Description

도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 포함하는 양자 메모리 시스템 및 양자 리피터 시스템 및 그의 제조 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2016년 5월 13일 출원된 미국 가출원 번호 62/336,170의 이익 및 이에 대한 우선권을 청구하며, 이 가출원의 상세사항은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 본 출원은 또한, 2017년 3월 1일 출원된 미국 가출원 번호 62/465,372의 이익 및 이에 대한 우선권을 청구하며, 이 가출원의 상세사항은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본 개시내용은 양자 메모리 시스템 및 양자 리피터 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 갖는 양자 메모리 시스템 및 양자 리피터 시스템에 대한 기술을 도입한다.
본 개시내용의 주제에 따르면, 양자 메모리 시스템은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치, 자기장 생성 유닛, 및 하나 이상의 펌프 레이저를 포함한다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고, 하나 이상의 펌프 레이저는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑된다.
본 개시내용의 하나의 실시양태에 따르면, 광학 시스템은 양자 리피터 시스템, 하나 이상의 자기장 생성 유닛, 및 하나 이상의 펌프 레이저를 포함한다. 양자 리피터 시스템은 2개의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치 및 리피터 얽힘(entanglement) 광학계를 포함한다. 양자 리피터 시스템의 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 하나 이상의 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 하나 이상의 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치된다. 양자 리피터 시스템의 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑된다. 하나 이상의 펌프 레이저 중 적어도 하나는 양자 리피터 시스템의 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링된다. 또한, 리피터 얽힘 광학계는 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링된 2개의 얽힘 경로, 및 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 배치된 빔스플리터를 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 하나의 실시양태에 따르면, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 제조하는 방법은, 복수의 전이 금속 착물 및 복수의 희토류 금속 착물을 혼합하여 금속 염 용액을 형성하고, 금속 염 용액을 가열하여 가열된 금속 염 용액을 형성하고, 가열된 금속 염 용액 및 유기 전구체를 혼합하여 가열된 금속 염 용액과 유기 전구체 사이의 화학 반응을 유도하여 복수의 희토류 도핑된 나노입자를 생성하고, 복수의 희토류 도핑된 나노입자를 소결시켜, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트를 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 것을 포함한다.
본 개시내용의 개념을 일부 구체적 양자 메모리 시스템을 주로 참조하여 본원에 기재하지만, 이러한 개념은 임의의 구성을 갖는 양자 메모리 시스템 및 양자 리피터 시스템에 대한 응용성을 가질 것임을 고려한다.
본 개시내용의 구체적 실시양태에 대한 하기 상세한 설명은, 하기 도면과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 여기서 동일한 구조는 동일한 참조 번호로 기재되며, 도면에서,
도 1은, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 희토류 원소 도판트를 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 갖는 양자 메모리 시스템의 개략도이고;
도 2는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 1의 희토류 원소 도판트의 성형된(shaped) 스펙트럼 구조의 중첩의 기저 및 여기 에너지 상태의 개략도이고;
도 3a는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 데 사용된 전구체 혼합물의 개략도이고;
도 3b는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 데 사용된 복수의 희토류 도핑된 나노입자의 개략도이고;
도 3c는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 데 사용된 금속 염 혼합물의 개략도이고;
도 3d는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 데 사용된 가열된 금속 염 혼합물에 대한 유기 전구체의 첨가를 나타내는 개략도이고;
도 3e는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 데 사용된 복수의 희토류 도핑된 나노입자의 개략도이고;
도 4는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 양자 리피터 시스템 내에 배열된, 도 1에 도시된 바와 같은 희토류 원소 도판트를 갖는 다수의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 갖는 광학 시스템의 개략도이고;
도 5는, 본원에 나타내고 기재된 하나 이상의 실시양태에 따른, 다수의 양자 리피터 시스템을 포함하는 광학 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1은 양자 메모리 시스템(100)의 개략도이다. 양자 메모리 시스템(100)은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120), 자기장 생성 유닛(140), 저장 광자 생성기(170), 및 하나 이상의 펌프 레이저(180), 예를 들어 제1 펌프 레이저(180a) 및 제2 펌프 레이저(180b)를 포함한다. 하기에 기재되는 바와 같이, 양자 메모리 시스템(100)은, 예를 들어, 요구에 따라, 양자 메모리 시스템(100)이 하나 이상의 추가의 양자 메모리 시스템과 동기화(synchronizing)되어, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 양자 리피터 시스템(201)을 형성할 수 있도록 하나 이상의 저장 광자를 저장하고 방출하도록 구조적으로 구성된다. 또한, 양자 메모리 시스템(100)의 구성요소, 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 각각 포함하는 하나 이상의 양자 리피터 시스템(201)을 포함하는 광학 시스템(200) 내에 배치될 수 있다. 하나 이상의 양자 리피터 시스템(201)을 포함하는 광학 시스템(200)은, 각각의 양자 메모리 시스템의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 의해 각각 저장되고 방출된 한 쌍의 저장 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성될 수 있다. 또한, 본원에 기재된 양자 메모리 시스템(100) 및 광학 시스템(200)은 하나 이상의 양자 소통 시스템, 예를 들어, 양자 키(key) 생성 시스템, 양자 전기통신 시스템, 양자 인터넷 시스템, 및 임의의 다른 현재의 또는 아직 미개발된 양자 소통 시스템 내로 혼입될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양자 메모리 시스템(100)의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 결정 격자(122)를 포함하고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정 격자(122) 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "균일한 분포"는, 도판트의 적어도 50%가 결정 격자의 입자 경계로부터 떨어진 위치에서 결정 격자의 입자 내로 도핑된, 희토류 원소 도판트(130)와 같은, 결정 격자 내의 도판트의 분포를 지칭한다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 제1 단부(126) 및 제1 단부(126)의 반대쪽에 있을 수 있는 제2 단부(128)를 포함한다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 다결정 세라믹으로 형성된 금속 산화물, 예컨대 산화이트륨, 산화지르코늄, 산화하프늄 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 산화이트륨 및 산화지르코늄의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 산화지르코늄 및 산화하프늄의 조합을 포함할 수 있고, 여기서 산화하프늄은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 총 분자량의 약 2 내지 10%, 예를 들어, 4%, 6%, 8% 등을 구성한다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 투명할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 다결정 세라믹 코어(125) 및 다결정 세라믹 코어(125)를 둘러싼 클래딩(127)을 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광 도파관(121)를 포함할 수 있다. 클래딩(127)은, 다결정 세라믹 코어(125)를 횡단하는 광자가 다결정 세라믹 코어(125)와 클래딩(127) 사이의 코어-클래딩 경계선에서 내부 전반사에 놓이도록 다결정 세라믹 코어(125)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 포함한다. 다결정 세라믹 코어(125)와 클래딩(127)의 굴절률 사이의 차가 작은 경우에는, 보다 큰 다결정 세라믹 코어(125) (클래딩(127)에 비해)가 요망될 수 있고, 다결정 세라믹 코어(125)와 클래딩(127)의 굴절률 사이의 차가 큰 경우에는, 보다 작은 다결정 세라믹 코어(125) (클래딩(127)에 비해)가 요망될 수 있다.
또한, 다결정 세라믹 코어(125)는 다결정 세라믹으로 형성된 금속 산화물, 예를 들어, 산화이트륨 및/또는 산화지르코늄을 포함할 수 있다. 또한, 클래딩(127)은 중합체, 예를 들어, UV 내구성 중합체, 유기 매트릭스 내의 중합체, 또는 클래딩으로서 적합한 임의의 다른 공지된 또는 아직 미개발된 중합체를 포함할 수 있다. 일례로서, 다결정 세라믹 코어(125)는 산화이트륨을 포함하고, 클래딩(127)은 중합체를 포함한다. 대안적으로, 클래딩(127)은 다결정 세라믹, 예를 들어, 다결정 세라믹으로 형성된 금속 산화물, 예를 들어, 산화이트륨 및/또는 산화지르코늄을 포함할 수 있다. 일례로서, 다결정 세라믹 코어(125)는 산화이트륨 및 산화지르코늄의 조합을 포함할 수 있고, 클래딩(127)은 산화이트륨을 포함할 수 있다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광 도파관(121)의 다결정 세라믹 코어(125)는, 다결정 세라믹 코어(125)의 결정 격자(122) 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 도 1에서 도핑된 다결정 세라믹 광 도파관(121)으로서 도시되어 있지만, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 임의의 광학 장치, 예를 들어, 코어 및 클래딩을 포함하지 않는 광학 장치를 포함할 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 광자 흡수 및 방출을 용이하게 하는 다양한 형상 및 크기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 약 1 cm 내지 약 50 cm, 예를 들어, 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm 등의 제1 단부(126)와 제2 단부(128) 사이에서 연장되는 길이를 포함할 수 있다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 약 0.01 mm2 내지 약 25 mm2, 예를 들어, 약 0.1 mm2, 0.5 mm2, 1 mm2, 2 mm2, 5 mm2, 10 mm2, 15 mm2, 20 mm2 등의 단면적을 포함할 수 있다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 약 0.1 mm 내지 5 mm, 예컨대 0.5 mm, 0.75 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm 등의 폭, 및 약 0.1 mm 내지 약 5 mm, 예컨대 0.5 mm, 0.75 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm 등의 높이를 포함할 수 있다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 배치된 광 공동을 포함할 수 있다. 작동시, 광 공동은, 빛이 흡수, 예를 들어, 안에 위치하는 희토류 원소 도판트(130)에 의해 흡수될 때까지, 빛, 예컨대 저장 광자를 광 공동 내에 트랩핑할 수 있다.
도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정 격자(122) 내로 도핑된 희토류 원소 도판트(130)는 하나 이상의 희토류 원소, 예를 들어, 하나 이상의 란타나이드 원소, 예컨대 에르븀, 툴륨, 프라세오디뮴, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 이테르븀, 및 루테튬 등, 또한 비-란타나이드 원소, 예컨대 스칸듐, 및 이들 란타나이드 및 비-란타나이드 희토류 원소 각각의 산화물을 포함한다. 또한, 희토류 원소 도판트(130)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 총 분자량의 약 0.01% 내지 약 2%, 예를 들어, 0.025%, 0.05%, 0.075%, 0.1%, 0.125%, 0.15%, 0.2%, 0.25%, 0.5%, 0.75%, 1.0%, 1.25%, 1.5%, 1.75% 등을 구성할 수 있다. 일례로서, 희토류 원소 도판트(130)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 총 분자량의 약 0.05% 내지 약 0.15%를 구성한다.
도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정 격자(122) 내로 도핑된 희토류 원소 도판트(130)는 희토류 원소 도판트(130) 내에 배치된 성형된 스펙트럼 구조를 포함할 수 있고, 여기서 성형된 스펙트럼 구조는 복수의 에너지 상태 사이에서 전달가능한 (예를 들어, 희토류 원소 도판트(130)의 하나 이상의 전자의) 중첩을 포함한다. 예를 들어, 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 펌프 레이저(180)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 광조사하여 희토류 원소 도판트(130) 내에 성형된 스펙트럼 구조를 생성할 수 있다. 작동시, 하기에서 보다 상세히 기재된 바와 같이, 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)가 저장 광자 생성기(170)에 의해 방출된 하나 이상의 저장 광자 및/또는 하나 이상의 펌프 레이저(180)에 의해 방출된 하나 이상의 펌프 펄스를 수신할 때, 성형된 스펙트럼 구조의 중첩은 에너지 상태 사이에서 전달가능하다. 작동시, 희토류 원소의 이온은 좁은 4f-4f 전이를 갖고 긴 광 결맞음(coherence)을 가지며, 이는 이들이 희토류 원소 도판트(130) 내에 저장 광자를 저장하도록 에너지 상태들 사이의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 전달하기에 적합하게 만든다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 또한, 비-희토류 원소 도판트, 예컨대 Mg, Ca, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Sn, 및 In의 산화물로 도핑될 수 있다.
또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 소결시킴으로써 형성될 수 있다. 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)는 Er3+ 도핑된 Y2O3 나노입자를 포함할 수 있다. 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)는, 복수의 전이 금속 착물(112), 복수의 희토류 금속 착물(114), 유기 전구체(116), 및 물, 예컨대 탈이온수를 혼합함으로써 형성될 수 있다 (도 3a 내지 3e). 예를 들어, 용액 상 합성을 사용하여 (예를 들어, 도 3a 내지 3e와 관련하여 하기에 기재되는 방법을 사용하여) Er3+ 이온을 나노입자, 예컨대 Y2O3 나노입자 내로 도핑함으로써, 이들 희토류 도핑된 나노입자(110)를 소결시킴으로써 형성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 원자적으로 균질하게 분포된 희토류 이온 (예를 들어, Er3+ 이온)을 포함할 수 있다.
복수의 전이 금속 착물(112)은 금속 염, 예컨대 금속 염화물 또는 금속 질산염, 예컨대 지르코늄 염, 이트륨 염 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 복수의 희토류 금속 착물(114)은 상기에 기재된 희토류 원소의 금속 착물, 예를 들어, 금속 염을 포함할 수 있다. 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110) (예를 들어, 200 nm 이하의 직경) 형성에 희토류 금속 착물(114)을 사용함으로써, 생성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 배치된 희토류 원소 도판트(130)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정 격자(122) 내에 보다 균일하게 분포될 수 있어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 성능을 개선시킨다. 또한, 유기 전구체(116)는 우레아, 수산화암모늄 등을 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 저장 광자 생성기(170)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에, 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126) 또는 제2 단부(128)에 광 커플링되고, 이는 저장 광자, 예를 들어, 얽힌 저장 광자 또는 얽히지 않은 저장 광자를 생성하고 방출하도록 구조적으로 구성된다. 저장 광자 생성기(170)는 광자 공급원, 예를 들어, 레이저, 비-선형 결정에 광 커플링된 레이저, 매개변수 하향 변환기 등을 포함한다. 또한, 저장 광자 생성기(170)는 4-파동 혼합 과정을 사용하여, 또는 광자를 생성하는 임의의 방법 또는 과정을 사용하여 저장 광자를 생성하고 방출할 수 있다.
작동시, 저장 광자 생성기(170)는 임의의 파장, 예를 들어, 약 300 nm 내지 약 10 μm, 예를 들어, 500 nm, 1550 nm, 2200 nm 등을 갖는 저장 광자를 생성하고 방출할 수 있다. 비-제한적 예로서, 저장 광자 생성기(170)에 의해 방출된 저장 광자는 저장 광자 생성기(170)에 의해 동시에 방출된 제2 얽힌 저장 광자와 얽혀 있는 제1 얽힌 저장 광자를 포함할 수 있다. 작동시, 제1 얽힌 저장 광자는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단할 수 있고, 제2 얽힌 저장 광자는 제1 얽힌 저장 광자와의 얽힘을 유지하면서 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)와 분리된 경로를 따라 이동할 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 저장 광자 생성기(170)는, 저장 광자 생성기(170)와 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 또는 제2 단부(126, 128) 사이에서 연장될 수 있는 저장 광자 전송 섬유(172) 또는 다른 도파관 장치를 사용하여 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링될 수 있다. 또한, 저장 광자 생성기(170)는, 예를 들어, 저장 광자 생성기(170)를 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)와 광학적으로 정렬시키도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 정렬 메커니즘(142)을 사용하여, 저장 광자 생성기(170)를 제1 단부(126) 또는 제2 단부(128)와 정렬시킴으로써 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 또는 제2 단부(126, 128)에 광 커플링될 수 있다. 하나 이상의 정렬 메커니즘(142)은 정렬 스테이지, 광학 스위치, 또는 이들 둘 다를 포함할 수 있다. 또한, 저장 광자 생성기(170) 및/또는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 개개의 정렬 메커니즘(142)에 커플링될 수 있다.
하나 이상의 펌프 레이저(180)가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링되고, 이들은 각각 펌프 펄스를 생성하고 방출하도록 구조적으로 구성된다. 하나 이상의 펌프 레이저(180)는 임의의 레이저 공급원, 예를 들어, 다이오드 레이저, 외부 공동 다이오드 레이저, 섬유 레이저, 염료 레이저 등을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 펌프 레이저(180)는 임의의 파장, 예를 들어, 약 500 nm 내지 약 2200 nm를 갖는 펌프 펄스를 방출하도록 구조적으로 구성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 펌프 레이저(180)에 의해 생성되고 방출된 펌프 펄스의 파장은 저장 광자 생성기(170)에 의해 생성되고 방출된 저장 광자의 파장보다 클 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 펌프 레이저(180)는 제1 펌프 레이저(180a) 및 제2 펌프 레이저(180b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 펌프 레이저(180a)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)에 광 커플링될 수 있고, 제2 펌프 레이저(180b)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제2 단부(128)에 광 커플링될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 펌프 레이저(180a)는 저장 광자 생성기(170)와 동일한 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 단부 (예를 들어, 제1 단부(126))에 광 커플링될 수 있고, 제2 펌프 레이저(180b)는 저장 광자 생성기(170)와 상이한 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 단부 (예를 들어, 제2 단부(128))에 광 커플링될 수 있다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 상이한 단부에 대한 제1 및 제2 펌프 레이저(180a, 180b)의 광 커플링은, 양자 메모리 시스템(100)의 작동 동안 저장 광자의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에서의 광학 산란을 감소시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 펌프 레이저(180)는, 각각의 펌프 레이저(180)와 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 사이에서 연장될 수 있는 펌프 펄스 전송 섬유(182) 또는 다른 도파관 장치를 사용하여 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링될 수 있다. 또한, 각각의 펌프 레이저(180)는, 각각의 펌프 레이저(180)를 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)와 광학적으로 정렬시키도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 정렬 메커니즘(142)을 사용하여 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링될 수 있다. 하나 이상의 정렬 메커니즘(142)은 정렬 스테이지, 광학 스위치, 또는 이들 둘 다를 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 펌프 레이저(180) 및/또는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 개개의 정렬 메커니즘(142)에 커플링될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 양자 메모리 시스템(100)은 추가로, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링된 파장 분할 멀티플렉서 (WDM)(160)를 포함할 수 있다. 특히, WDM(160)은, 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)로부터 나오는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 단부에 광 커플링된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, WDM(160)은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)에 광 커플링될 수 있다. 또한, WDM(160)은 저장 광자 경로(162) 및 펌프 펄스 경로(164) 둘 다에 광 커플링될 수 있고, 예를 들어, WDM(160)은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 한쪽 단부 (예를 들어, 제1 단부(126))와 저장 광자 경로(162) 및 펌프 펄스 경로(164) 둘 다의 사이에 배치될 수 있다. WDM(160)은, 저장 광자를 저장 광자 경로(162) 내로 지향시키고, 펌프 펄스를 펌프 펄스 경로(164) 내로 지향시키도록 구성된다. 예를 들어, WDM(160)은, 저장 광자의 파장을 포함하는 광자의 파장 범위를 저장 광자 경로(162) 내로 지향시킬 수 있고, 펌프 펄스의 파장을 포함하는 광자의 파장 범위를 펌프 펄스 경로(164) 내로 지향시킬 수 있다. 또한, 저장 광자 경로(162) 및 펌프 펄스 경로(164)는 광섬유를 포함할 수 있다.
저장 광자 경로(162)는 WDM(160)과 저장 광자 수신기(166) 사이에서 연장될 수 있다. 비-제한적 일례로서, 저장 광자 수신기(166)는, 미국 특허 출원 번호 14/680,522에 기재된 양자 키 생성 시스템의 하나 이상의 광자 얽힘 사슬의 광섬유 링크를 포함할 수 있다. 또 다른 비-제한적 예로서, 저장 광자 수신기(166)는 도 4의 양자 리피터 시스템(201)의 리피터 얽힘 광학계(210)를 포함할 수 있다. 또한, 펌프 펄스 경로(164)는 WDM(160)과 펌프 펄스 수신기(168) 사이에서 연장될 수 있다. 작동시, 제1 및 제2 펌프 펄스는 펌프 펄스 수신기(168)에서 종결될 수 있고, 예를 들어, 펌프 펄스 수신기(168)는 펌프 펄스 경로(164)가 광섬유를 포함하는 실시양태에서 섬유 단부를 포함할 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 양자 메모리 시스템(100)은 추가로, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에, 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)에 광 커플링된 광 서큘레이터(150)를 포함할 수 있다. 광 서큘레이터(150)는 3개 이상의 광 포트, 예를 들어, 제1 광 포트(152), 제2 광 포트(154), 및 제3 광 포트(156)를 포함한다. 또한, 광 서큘레이터(150)는, 광 서큘레이터(150)의 제1 광 포트(152)는 저장 광자 생성기(170)에 광 커플링되고, 제2 포트는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)에 광 커플링되도록, 저장 광자 생성기(170)와 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120), 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126) 사이에 배치된다.
광 서큘레이터(150)는 또한, 광 서큘레이터(150)의 제1 광 포트(152)는 하나 이상의 펌프 레이저(180) 중 적어도 하나에 광 커플링되고, 제2 광 포트(154)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)에 광 커플링되도록, 펌프 레이저(180) 중 적어도 하나 (예를 들어, 제1 펌프 레이저(180a))와 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 저장 광자 생성기(170) 및 제1 펌프 레이저(180a)는 각각, 저장 광자 생성기(170)에 의해 산출된 저장 광자 및 제1 펌프 레이저(180a)에 의해 산출된 제1 펌프 펄스가 광 서큘레이터(150)의 제1 광 포트(152)로 도입되고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)를 향해 제2 광 포트(154)로부터 나오도록, 광 서큘레이터(150)의 제1 광 포트(152)에 광 커플링된다.
광 서큘레이터(150)는 또한, WDM(160)과 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120), 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 광 서큘레이터(150)의 제3 광 포트(156)는 WDM(160)에 광 커플링된다. 예를 들어, WDM(160)은, WDM(160)이, 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)로부터 나온 후 저장 광자를 수신하고, 제1 및 제2 펌프 레이저(180a, 180b)에 의해 산출된 펌프 펄스 중 하나 또는 둘 다를 수신할 수 있도록, 광 서큘레이터(150)의 제3 광 포트(156)에 인접하여 배치되고 그에 광 커플링된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양자 메모리 시스템(100)은 추가로, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 열 커플링된 냉각 시스템(190)을 포함할 수 있다. 비-제한적 예로서, 냉각 시스템(190)은 냉각 챔버를 포함할 수 있고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 냉각 챔버 내에 배치될 수 있다. 또 다른 비-제한적 예로서, 냉각 시스템(190)은 레이저 냉각 시스템을 포함할 수 있고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 레이저 냉각 시스템에 광 커플링될 수 있다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 냉각시키도록 구조적으로 구성된 임의의 냉각 시스템(190)이 고려됨을 이해하여야 한다.
또한 도 1을 참조하면, 자기장 생성 유닛(140)은 자기장, 예를 들어, 정자기장을 생성하도록 구조적으로 및 조성적으로 구성된 임의의 자성 장치를 포함할 수 있다. 비-제한적 예로서, 자기장 생성 유닛(140)은 전자석, 강자성체, 알니코 자석, 사마륨 코발트 (SmCo) 자석, 네오디뮴 철 붕소 (NdFeB) 자석, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 자기장 생성 유닛(140)은, 자기장 생성 유닛(140)이 자기장을 생성할 때, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)가 자기장 생성 유닛(140)의 자기장 내에 배치되도록, 양자 메모리 시스템(100) 내에 배치된다. 예를 들어, 자기장 생성 유닛(140)은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 인접하여 있을 수 있다. 비-제한적 예로서, 자기장 생성 유닛(140)은 약 0.2 테슬라 내지 약 5 테슬라, 예컨대 약 0.4 테슬라, 0.5 테슬라, 0.6 테슬라, 0.65 테슬라, 0.7 테슬라, 0.8 테슬라, 1 테슬라, 2 테슬라, 2.5 테슬라, 3 테슬라, 4 테슬라 등의 자속 밀도를 포함하는 자기장을 생성하도록 구조적 및 조성적으로 구성될 수 있다.
도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)가 자기장 생성 유닛(140)의 자기장 내에 배치되고, 하나 이상의 펌프 레이저(180)가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 광조사하여 희토류 원소 도판트(130) 내에 성형된 스펙트럼 구조를 생성할 때, 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩의 기저 상태가 분열되고, 그에 따라 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 각각의 중첩이 제1 분열 기저 상태 G1, 제2 분열 기저 상태 G2 및 여기 에너지 상태 E1을 포함하게 된다. 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩의 기저 상태가 분열됨으로써, 성형된 스펙트럼 구조의 중첩은 제2 기저 상태 G2로 전달되어, 하기에 기재되는 바와 같이, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 저장 광자를 저장할 수 있다.
작동시, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 저장 광자 생성기(170)에 의해 방출된 저장 광자를 흡수하고 저장하도록 구조적 및 조성적으로 구성된다. 예를 들어, 성형된 스펙트럼 구조가, 펌프 레이저(180)에 의해 산출된 하나 이상의 펌프 펄스를 사용하여, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에, 예를 들어, 희토류 원소 도판트(130) 내에 생성될 수 있다. 예를 들어, 성형된 스펙트럼 구조는 원자 진동수 빗 (AFC), 제어 가역적 불균질 확장 (CRIB), 또는 임의의 공지된 또는 아직 미개발된 성형된 스펙트럼 구조, 예를 들어, 스펙트럼 홀 버닝에 의해 형성된 성형된 스펙트럼 구조를 포함할 수 있다. 성형된 스펙트럼 구조의 예는, 문헌 [Hastings-Simon et al., "Controlled Stark shifts in Er3+-doped crystalline and amorphous waveguides for quantum state storage," Optics Communications, 266, pgs. 716-719 (2006)], [Afzelius et al, "Multimode quantum memory based atomic frequency combs," Physical Review A 79, 052326 (2009)], 및 [Nilsson et al., "Solid state quantum memory using complete absorption and re-emission of photons by tailored and externally controlled inhomogeneous absorption profiles," Optics Communications, 247, pgs. 393-403 (2005)]에 기재되어 있다.
다음으로, 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하고 있을 때, 저장 광자는 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을, 저장 광자를 흡수하도록, 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 제1 분열 기저 상태 G1로부터 여기 에너지 상태 E1로 전달하여, 저장 광자를 흡수할 수 있다. 다음으로, 제1 펌프 레이저(180a)에 의해 산출된 제1 펌프 펄스의 수신에 따라, 제1 펌프 펄스는 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을, 여기 에너지 상태 E1로부터 제2 분열 기저 상태 G2로 전달하여, 저장 광자를 저장할 수 있다. 또한, 펌프 레이저로부터의 산출은 π-펄스를 포함할 수 있다.
또한, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 요구에 따라, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 저장된 저장 광자를 방출하도록 구조적 및 조성적으로 구성된다. 예를 들어, 제2 펌프 레이저(180b)에 의해 산출된 제2 펌프 펄스의 수신에 따라, 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩은 제2 분열 기저 상태 G2로부터 다시 여기 에너지 상태 E1로 전달된다. 여기 에너지 상태 E1에 있으면, 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩은 지연 기간 후 저장 광자를 자동적으로 방출하고, 그에 따라 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120), 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)로부터 나오게 된다. 예를 들어, 여기 에너지 상태 E1에 있으면, 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조는 재위상화(rephasing)될 것이고, 지연 기간 후, 저장 광자는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)로부터 나올 것이다. 또한, 제2 펌프 레이저(180b)가 제2 펌프 펄스를 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제2 단부(128) 내로 방출할 때에는, 저장 광자는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126)로부터 나올 수 있고, 제2 펌프 레이저(180b)가 제2 펌프 펄스를 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제1 단부(126) 내로 방출할 때에는, 저장 광자는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 제2 단부(128)로부터 나올 수 있다.
지연 기간은 지속적인, 반복가능 시간 기간을 포함하고, 따라서, 반복된 작동에 따라, 개개의 저장 광자는 동일한 지연 기간 후에 방출된다. 또한, 상이한 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 동일한 또는 상이한 지연 기간을 포함할 수 있다. 비-제한적 예로서, 동일한 다결정 세라믹 및 도판트 조성을 포함하는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 동등한 지연 기간을 포함할 수 있다. 따라서, 동등한 지연 기간을 갖는 한 쌍의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)가 도 4의 광학 시스템(200)의 양자 리피터 시스템(201)으로서 배열될 수 있고, 이들이 각각 동시에 제2 펌프 펄스를 수신하는 경우 이들은 각각 동시에 저장 광자를 방출하여, 하기에 기재되는 바와 같이, 도 4의 리피터 얽힘 광학계(210)를 사용하여 저장 광자의 양자 얽힘을 용이하게 할 것이다. 또한, 개개의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 지연 기간은 개개의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 상의 광자 에코 측정을 수행함으로써 결정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 낮은 포논 에너지 (예를 들어, 디바이(Debye) 에너지)를 포함할 수 있고, 이는 의도하지 않은 전자 탈위상을 제한할 수 있다. 예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 약 100 cm-1 내지 약 800 cm-1, 예를 들어, 200 cm-1, 300 cm-1, 400 cm-1, 500 cm-1, 600 cm-1, 700 cm-1 등의 포논 에너지를 포함할 수 있다. 전자 탈위상은, 오비탈이 축퇴되거나 거의 축퇴되도록 하는 트랩핑된 전자 오비탈로부터의 포논 보조 커플링을 지칭한다. 의도하지 않은 전자 탈위상은, 저장 광자의 요망되는 방출 전에 저장 광자의 의도하지 않은 방출을 일으키는 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩에 의한 제1 기저 상태 G1로의 에너지 상태 전달 (예를 들어 포논 보조 커플링)을 지칭한다. 예를 들어, 의도하지 않은 전자 탈위상은, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 의한 제1 펌프 펄스 또는 제2 펌프 펄스의 수신 전에 일어나는 전자 (예를 들어, 중첩) 탈위상을 지칭한다. 또한, 의도하지 않은 전자 탈위상의 감소는 보다 긴 광자 저장 수명 및 보다 큰 광자 저장 효율을 용이하게 할 수 있다.
도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 포논 에너지를 감소시킴으로써, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 광자 저장 수명 및 광자 저장 효율이 증가될 수 있다. 광자 저장 수명은, 의도하지 않은 전자 (예를 들어, 중첩) 탈위상이 저장 광자를 방출시키기 전에 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 저장되어 남아있을 수 있는 시간의 최대 양을 지칭한다. 또한, 광자 저장 효율은, 흡수되고 저장된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 저장 광자의 백분율을 지칭한다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 광자 저장 효율을 증가시키는 낮은 감쇠를 포함한다. 감쇠는, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 펌프 레이저(180a, 180b)를 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 반대쪽 단부에 광 커플링함으로써 산란을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 또한, 감쇠는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내의 공극의 수를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 일부 실시양태에서, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 공극을 갖지 않는다.
또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정 격자(122) 내에 희토류 원소 도판트(130)를 균일하게 분포시키는 것은, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 개개의 결정 사이의 입자 경계에서 희토류 원소 도판트(130)의 클러스터링을 막을 수 있다. 균일한 분포는 스핀-스핀 상호작용을 감소시킴으로써 의도하지 않은 전자 붕괴를 감소시킬 수 있다. 또한, 예를 들어, 냉각 시스템(190)을 사용하여, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 냉각시킴으로써, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 포논 개체수가 감소되어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 광자 저장 수명 및 광자 저장 효율을 증가시킬 수 있다.
도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 또한, 약 3 μN 이하, 예를 들어, 약 1 μN 이하의 핵 자기 모멘트를 갖는 원소를 포함할 수 있다. 작동시, 보다 낮은 자기 모멘트는, 희토류 원소 도판트(130)에 대한 낮은 핵 자기 모멘트를 갖는 원소의 보다 작은 자기 쌍극자-쌍극자 상호작용으로 인해, 보다 긴 광자 저장 수명과 상관된다. 비-제한적 예로서, 각각 낮은 자기 모멘트를 포함하는 원소, 예컨대 Y, Sn, 및 Pb가 또한 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 존재할 수 있다. 또한, 보다 무거운 원소가 또한 보다 낮은 포논 에너지를 포함할 수 있기 때문에, 보다 높은 원자량을 갖는 물질을 포함하는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)가 요망될 수 있다.
희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 또한 좁은 균질한 선폭을 포함할 수 있고, 이는 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 광자 저장 수명 및 광자 저장 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 보다 좁은 균질한 선폭은 보다 긴 광자 저장 수명과 직접 상관된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 불균질한 선폭은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 희토류 원소 도판트(130)의 흡수 피크 (예를 들어, 최대 흡수가 일어나는 파장)의 반치전폭 (FWHM) 스펙트럼 선폭을 지칭한다. 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 불균질한 선폭은 약 1 nm 내지 약 25 nm, 약 5 nm 내지 15 nm 등, 예를 들어, 2 nm, 5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm 등을 포함할 수 있다. 또한, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 균질한 선폭은 약 7.5 MHz 이하, 예를 들어, 7 MHz, 6 MHz, 5 MHz 4 MHz, 3 MHz, 2 MHz, 1 MHz 등을 포함할 수 있다.
비-제한적 일례로서, 에르븀을 포함하는 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 흡수 피크는 약 1510 nm 내지 약 1550 nm, 예를 들어, 약 1535 nm 내지 약 1545 nm, 예컨대 1540 nm일 수 있다. 또 다른 비-제한적 예로서, 툴륨을 포함하는 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 흡수 피크는 약 1600 nm 내지 약 1700 nm, 예를 들어, 약 1625 nm 내지 약 1675 nm, 예컨대 1660 nm일 수 있다. 또한, 작동시, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 흡수 피크의 파장의 15 nm 내의, 예를 들어, 10 nm 내의, 5 nm 내의, 또는 흡수 피크의 파장과 동등한 파장을 포함하는 제1 펌프 레이저(180a)에 의해 산출된 제1 펌프 펄스의 수신에 따라, 상기에 기재된 바와 같이, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 저장 광자를 흡수하고 저장하도록 구성된다. 또한, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 흡수 피크의 파장의 15 nm 내의, 예를 들어, 10 nm 내의, 5 nm 내의, 또는 흡수 피크의 파장과 동등한 파장을 포함하는 제2 펌프 레이저(180b)에 의해 산출된 제2 펌프 펄스의 수신에 따라, 상기에 기재된 바와 같이, 저장 광자를 방출할 수 있다.
광자 저장 수명과 균질한 선폭 사이의 관계는 하기 등식:
Figure 112018123330768-pct00001
및
Figure 112018123330768-pct00002
로 수학적으로 기재될 수 있고, 여기서,
Figure 112018123330768-pct00003
은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정장의 제1 공간 도함수이고,
Figure 112018123330768-pct00004
는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정장의 제2 공간 도함수이고,
Figure 112018123330768-pct00005
은
Figure 112018123330768-pct00006
에 기인하는 전이의 확률 진폭이고,
Figure 112018123330768-pct00007
는
Figure 112018123330768-pct00008
에 기인하는 전이의 확률 진폭이고,
Figure 112018123330768-pct00009
는 광속이고,
Figure 112018123330768-pct00010
는 호스트 물질, 예를 들어 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 밀도이고,
Figure 112018123330768-pct00011
는 결정 내의 음파의 평균 속도이고,
Figure 112018123330768-pct00012
는 전자 (예를 들어, 희토류 원소 도판트(130)의 전자)의 기저 상태이고,
Figure 112018123330768-pct00013
는 전자 (예를 들어, 희토류 원소 도판트(130)의 전자)의 여기 상태이다. 또한, 포논 커플링 계수
Figure 112018123330768-pct00014
는
Figure 112018123330768-pct00015
로서 수학적으로 기재될 수 있고, 여기서
Figure 112018123330768-pct00016
는 광속이고,
Figure 112018123330768-pct00017
는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 균질한 선폭이고,
Figure 112018123330768-pct00018
은 전이의 1차 확률 진폭이다. 상기에 나타낸 바와 같이, 보다 작은 (예를 들어, 보다 좁은) 균질한 선폭은 보다 작은 광자 커플링 계수를 생성한다. 또한, 작은 포논 커플링 계수는 낮은 포논 에너지와 상관되고, 낮은 포논 에너지는 보다 긴 광자 저장 수명을 용이하게 한다. 따라서, 균질한 선폭은 광자 저장 수명에 반비례하고, 보다 좁은 균질한 선폭은 보다 긴 광자 저장 수명을 용이하게 한다.
상기 등식을 조합하면, 균질한 수명은 또한
Figure 112018123330768-pct00019
로서 수학적으로 기재될 수 있고, 여기서
Figure 112018123330768-pct00020
는 광속이고,
Figure 112018123330768-pct00021
는 볼츠만(Boltzmann) 상수이고,
Figure 112018123330768-pct00022
는 온도 (예를 들어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 온도)이고,
Figure 112018123330768-pct00023
는 디바이 온도이고,
Figure 112018123330768-pct00024
은 전이의 1차 확률 진폭이고,
Figure 112018123330768-pct00025
는 전이의 2차 확률 진폭이고,
Figure 112018123330768-pct00026
는 에너지 준위이다.
일부 실시양태에서, 희토류 원소 도판트(130)는 비-크레이머(Kramer) 희토류 이온, 예컨대 Pr3+, Tm3+ 등을 포함할 수 있다. 비-크레이머 희토류 이온으로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 예를 들어, 비-크레이머 희토류 이온의 크레이머 축퇴의 결핍으로 인해, 크레이머 희토류 이온으로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)보다 좁은 균질한 선폭을 포함할 수 있다. 이는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 광자 저장 수명을 증가시키고 의도하지 않은 전자 붕괴를 감소시킬 수 있다. 또한, 희토류 원소 도판트(130)가 툴륨을 포함하는 경우, 툴륨을 포함하는 희토류 원소 도판트(130)의 전자는, 에르븀을 포함하는 희토류 원소 도판트(130)보다 약한 자기장 내에 배치될 때, 제1 및 제2 기저 상태 G1 및 G2 (도 2)로 분열될 수 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 양자 메모리 시스템(100)을 사용한 저장 광자의 저장 및 방출 방법이 고려된다. 방법을 하기에서 특정 순서로 기재하지만, 다른 순서도 고려됨을 이해하여야 한다. 이제 도 1을 참조하면, 방법은 먼저, 자기장 생성 유닛(140)을 사용하여 자기장을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기에서 언급된 바와 같이, 자기장 생성 유닛(140)을 사용한 자기장의 생성은 도핑된 희토류 원소 도판트(130)의 전자의 기저 상태를 도 2에 도시된 바와 같이 제1 기저 상태 G1 및 제2 기저 상태 G2로 분열시킨다.
방법은 추가로, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 하나 이상의 펌프 레이저(180)에 의해 산출된 복수의 펌프 펄스로 광조사함으로써 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 희토류 원소 도판트(130) 내에 성형된 스펙트럼 구조를 생성하는 것을 포함한다. 다음으로, 방법은, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링된 저장 광자 생성기(170)로부터 저장 광자를 방출시키는 것을 포함하고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 의한 저장 광자의 수신에 따라, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 도핑된 희토류 원소 도판트(130)는, 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 제1 분열 기저 상태 G1로부터 여기 에너지 상태 E1로 전달함으로써 저장 광자를 흡수한다. 예를 들어, 저장 광자는 약 300 nm 내지 약 10 μm, 예를 들어, 500 nm, 1550 nm, 2200 nm의 파장을 포함할 수 있다. 다음으로, 방법은 추가로, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 광 커플링된 제1 펌프 레이저(180a)로부터 제1 펌프 펄스를 방출시키고, 그에 따라, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 의한 제1 펌프 펄스의 수신에 따라, 제1 펌프 펄스가 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 여기 에너지 상태로부터 제2 분열 기저 상태 G2로 전달하여, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 저장 광자를 저장하도록 하는 것을 포함한다.
또한 도 1 및 2를 참조하면, 방법은 추가로, 제2 펌프 레이저(180b)로부터 제2 펌프 펄스를 방출시키고, 그에 따라, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)에 의한 제2 펌프 펄스의 수신에 따라, 제2 펌프 펄스가 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 제2 분열 기저 상태 G2로부터 여기 에너지 상태 E1로 전달하도록 하는 것을 포함한다. 다시 여기 에너지 상태 E1에 있으면, 희토류 원소 도판트(130)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩은 지연 기간 후 저장 광자를 자동적으로 방출할 것이고, 그에 따라 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)로부터 나온다.
또한, 작동시, 양자 메모리 시스템(100), 또한 보다 특별하게는, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 약 500 ns 내지 약 1 ms, 예를 들어, 약 1 μs 내지 약 1 ms 또는 약 10 μs 내지 약 1 ms를 포함하는 광자 저장 수명 동안 저장 광자를 흡수하고 저장할 수 있다. 또한, 작동시, 양자 메모리 시스템(100), 또한 보다 특별하게는, 희토류 원소 도판트(130)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 복수의 저장 광자의 약 50% 이상, 예를 들어 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 복수의 저장 광자의 약 70% 이상, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 복수의 저장 광자의 약 90% 이상을 흡수하고 저장할 수 있다.
이제 도 3a 및 3b를 참조하면, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 제조하는 방법이 고려된다. 방법을 하기에서 특정 순서로 기재하지만, 다른 순서도 고려됨을 이해하여야 한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 방법은 먼저, 복수의 전이 금속 착물(112), 복수의 희토류 금속 착물(114), 유기 전구체(116), 및 물, 예컨대, 탈이온수를 혼합하여 전구체 혼합물(111)을 형성하는 것을 포함한다. 복수의 전이 금속 착물(112)은 전이 금속, 예를 들어, 지르코늄, 이트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 착물, 예컨대 금속 염을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 전이 금속 착물(112)의 전이 금속은 유전 물질의 입방 결정을 포함할 수 있고, 각각 약 25 nm 내지 약 250 nm, 예를 들어, 50 nm, 75 nm, 100 nm, 125 nm, 150 nm, 200 nm 등의 단면 치수 (예를 들어, 직경)를 포함할 수 있다. 일례로서, 복수의 전이 금속 착물(112)은 YCl3·6H2O를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 희토류 금속 착물(114)은, 상기에 기재된 희토류 원소 중 임의의 것을 포함하는 금속 착물, 예컨대 금속 염을 포함할 수 있다. 일례로서, 희토류 금속 착물(114)은 ErCl3·6H2O를 포함할 수 있다. 상기에서 언급된 바와 같이, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110) 형성에 희토류 금속 착물(114)을 사용함으로써, 생성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 배치된 희토류 원소 도판트(130)는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 결정 격자(122) 내에 보다 균일하게 분포될 수 있어, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 성능을 개선시킨다. 또한, 유기 전구체(116)는 우레아, 수산화암모늄 등을 포함할 수 있다.
일례로서, 전구체 혼합물(111)은 약 40 g 내지 약 80 g, 예를 들어, 약 50 g, 60 g, 65 g, 65.53 g, 70 g 등의 전이 금속 착물(112)을 포함할 수 있다. 전구체 혼합물(111)은 또한 약 0.01 g 내지 약 0.5 g, 예를 들어, 약 0.05 g, 0.1 g, 0.15 g, 0.2 g, 0.25 g, 0.35 g 등의 희토류 금속 착물(114)을 포함할 수 있다. 또한, 전구체 혼합물(111)은 약 350 g 내지 약 450 g, 예를 들어, 약 375 g, 388.8 g, 400 g, 425 g 등의 유기 전구체(116)를 포함할 수 있다. 또한, 전구체 혼합물(111)은 약 2 L 내지 약 6 L, 예를 들어, 약 3 L, 4 L, 4.32 L, 5 L 등의 탈이온수를 포함할 수 있다.
또한 도 3a 및 3b를 참조하면, 방법은 추가로, 복수의 전이 금속 착물(112), 복수의 희토류 금속 착물(114), 유기 전구체(116), 및 탈이온수 (예를 들어, 전구체 혼합물(111))를 가열 기간 동안 가열 온도로 가열하여 유기 전구체(116)의 열 분해를 유도하고, 전이 금속 착물(112), 희토류 금속 착물(114), 및 유기 전구체(116) 사이의 화학 반응을 생성하여, 도 3b에 도시된 바와 같이 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 생성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 가열 온도는 약 70℃ 내지 약 100℃, 예컨대 약 80℃, 90℃, 95℃ 등일 수 있고, 가열 기간은 약 0.5시간 내지 약 3시간, 예컨대 1시간, 2시간 등일 수 있다.
작동시, 유기 전구체(116), 예컨대 우레아의 열 분해는 OH- 및 CO3 2-를 생성할 수 있고, 이들은 복수의 전이 금속 착물(112)의 전이 금속 및 복수의 희토류 금속 착물(114)의 희토류 금속과 반응하여 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110), 예를 들어, Y1-xErx(OH)CO3·H2O 나노입자를 생성한다. 또한, Y1-xErx(OH)CO3·H2O 나노입자를 여과 및 수집하고, 이어서 약 500℃ 내지 약 900℃, 예컨대 약 600℃, 700℃, 800℃ 등의 어닐링(annealing) 온도에서 어닐링하여, Y1-xErx(OH)CO3·H2O 희토류 도핑된 나노입자(110)를 (Y1-xErx)2O3 희토류 도핑된 나노입자(110)로 전환시킬 수 있다. 어닐링되면, 희토류 도핑된 나노입자(110)는 결정 구조를 포함할 수 있다. 또한, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 화학적 수율은 약 85% 내지 약 98%, 예를 들어 88%, 90%, 92%, 95% 등일 수 있다.
복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)의 직경은, 전구체 혼합물(111) 중의 복수의 전이 금속 착물(112)의 농도를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 일례로서, 전구체 혼합물(111) 중의 복수의 전이 금속 착물(112)의 농도가 약 0.0125 M인 경우, 생성된 희토류 도핑된 나노입자(110)의 직경은 약 100 nm일 수 있다. 또 다른 예로서, 전구체 혼합물(111) 중의 복수의 전이 금속 착물(112)의 농도가 약 0.05 M인 경우, 생성된 희토류 도핑된 나노입자(110) 직경은 약 150 nm일 수 있다. 또한, 전구체 혼합물(111) 중의 복수의 전이 금속 착물(112)의 농도가 0.05 M 미만인 것이 바람직한데, 이는, 전구체 혼합물(111) 중의 전이 금속 착물(112)의 농도가 0.05 M 초과인 경우, 생성된 희토류 도핑된 나노입자(110)가 불균일하고 응집될 수 있기 때문이다.
또한, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110) 중의 희토류 원소 도판트의 양은, 전구체 혼합물(111) 중의 전이 금속 착물(112) 및 희토류 금속 착물(114)의 비율을 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 일례로서, 전이 금속 착물(112) 및 희토류 금속 착물(114)의 비율이 약 137 부의 복수의 전이 금속 착물(112) 대 약 1 부의 복수의 희토류 금속 착물(114)인 경우, 생성된 희토류 도핑된 나노입자(110)는 약 0.97% 희토류 원소 도판트를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 복수의 전이 금속 착물(112) 및 복수의 희토류 금속 착물(114)의 비율이 약 548 부의 복수의 전이 금속 착물(112) 대 약 1 부의 복수의 희토류 금속 착물(114)인 경우, 생성된 희토류 도핑된 나노입자(110)는 약 0.25% 희토류 원소 도판트를 포함할 수 있다.
방법은 추가로, 밀링 매질, 예를 들어, 이트리아 안정화된 분쇄 매질, 예컨대 토소 코포레이션(Tosoh Corporation, 일본 도쿄)에 의해 제조된 YTZ ® 분쇄 매질을 사용하여 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 밀링하는 것을 포함할 수 있다. 밀링 매질은 약 1 mm 내지 3 mm, 예를 들어, 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm 등의 직경을 포함할 수 있다. 또한, 밀링 공정 전에 또는 밀링 공정 동안 추가의 물질, 예를 들어, 에탄올 용매, 1-부탄올, 프로필렌 글리콜, 유기인산염, 예컨대 포스팔론(phosphalon)TM PS-236, 및 탈이온수의 혼합물을 첨가할 수 있다. 작동시, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 약 75시간 내지 약 100시간, 예를 들어, 약 80시간, 85시간, 90시간, 95시간 등 동안 밀링할 수 있다. 또한, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 비브라-밀(VIBRA-MILL)® 밀링 시스템을 사용하여 밀링할 수 있다.
일례로서, 약 25 g의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 약 100 g 내지 약 150 g, 예를 들어, 110 g, 120 g, 130 g, 140 g 등의 밀링 매질을 사용하여 밀링할 수 있다. 또한, 밀링 공정 전에 또는 밀링 공정 동안 첨가되는 추가의 물질은 약 15 g 내지 약 20 g, 예를 들어, 약 16 g, 17 g, 18 g, 18.3 g, 19 g 등의 에탄올 용매, 약 2 g 내지 약 6 g, 예를 들어, 약 3 g, 4 g, 4.4 g, 5 g 등의 1-부탄올, 약 0.5 g 내지 약 1.5 g, 예컨대 약 1.0 g의 프로필렌 글리콜, 약 0.25 g 내지 약 0.5 g, 예를 들어, 약 0.3 g. 0.35 g, 0.38 g, 0.4 g, 0.45 g 등의 유기인산염, 예컨대 포스팔론TM PS-236, 및 약 0.5 g 내지 약 2.5 g, 예를 들어, 약 1 g, 1.3 g, 1.5 g, 2 g 등의 탈이온수를 포함할 수 있다.
작동시, 밀링 공정은 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 슬러리 중으로 분산시키고, 이는, 예를 들어 스크린을 사용한 여과 공정 동안 밀링 매질로부터 분리될 수 있다. 다음으로, 하나 이상의 결합제, 예컨대 부트바르(Butvar)® 폴리비닐 부티랄 (PVB-B98) 및 하나 이상의 가소제, 예컨대 디부틸 프탈레이트를 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 슬러리에 첨가할 수 있고, 이어서 이를, 예를 들어, 마제루스타(Mazerustar)TM 유성형 혼합기 (예컨대 모델 KK-400W)를 사용하여 혼합할 수 있다. 다음으로, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 슬러리를, 예를 들어 약 25 RPM으로 작동되는 롤러를 사용하여 약 18 내지 24시간 동안 롤링하여 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 슬러리 내의 공기를 제거할 수 있다. 공기를 제거함으로써, 생성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) (예를 들어, 하기에 기재되는 소결 공정을 사용하여 형성됨)는 공극을 갖지 않을 수 있다. 작동시, 생성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 공극을 감소시키고 투명성을 증가시키기 위해, 보다 긴 밀링 공정, 예를 들어, 약 90시간 이상의 밀링 공정이 요망될 수 있다.
일부 실시양태에서, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 슬러리를, 예를 들어, TAM 세라믹스(Ceramics) ® 수력 유도 테이프 캐스터를 사용하는, 테이프 캐스팅 방법과 같은 캐스팅 방법을 사용하여 필름으로 캐스팅할 수 있다. 캐스팅 후, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 건조 기간, 예를 들어, 약 18시간 내지 약 24시간, 예를 들어, 20시간, 22시간 등 동안, 예를 들어, 필름과 피복 물질 사이에 에어 갭이 위치하도록 필름을 피복 물질로 피복함으로써, 건조시킬 수 있다. 다음으로, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 약 50℃에서 약 20 내지 25분 동안 건조 오븐 내에서 건조시킬 수 있고, 이는 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름 내에 존재하는 유기물을 제거할 수 있다. 또한, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름은 약 100 μm 이하, 예를 들어, 약 75 μm, 50 μm, 25 μm, 20 μm, 15 μm, 10 μm 등의 두께를 가질 수 있다.
도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 제조하는 방법은 추가로, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 소결시켜, 예를 들어, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 소결시켜, 상기에 기재된, 희토류 원소 도판트(130)를 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 소결 전에, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 세터, 예컨대 알루미나 세터 상에 배치할 수 있다. 세터 상에 배치되면, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 소결로, 예컨대 CM TM 퍼니스(Furnace)를 사용하여 소결시킬 수 있다.
일례로서, 소결 공정 동안, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 하기 소결 스케줄을 사용하여 소결시킬 수 있다. 먼저, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 약 1시간의 가열 기간 동안 실온으로부터 200℃까지 가열할 수 있고, 이어서 필름을 약 2시간의 가열 기간 동안 약 200℃로부터 약 500℃까지 가열할 수 있고, 이어서 약 5시간의 가열 기간 동안 500℃로부터 약 1550℃까지 가열할 수 있다. 다음으로, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 필름을 약 1550℃의 온도, 예를 들어, 적어도 약 1500℃ 이상의 온도에서, 약 2시간의 체류 기간 동안 유지하고, 약 3시간의 냉각 기간에 걸쳐 1550℃로부터 약 실온까지 냉각시킬 수 있다. 작동시, 생성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 공극을 감소시키고 투명성을 증가시키기 위해, 소결 공정 동안 보다 높은 최대 온도, 예를 들어, 약 1550℃ 이상의 최대 온도가 요망될 수 있다.
다른 실시양태에서, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 소결 공정 수행 전에 펠릿으로 압착시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를, 슬러리로 형성하고 이어서 필름으로 캐스팅하는 대신에 펠릿으로 압착시킬 수 있다. 작동시, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를, 예를 들어, 단축 압착, 등방압 압착, 또는 이들 둘 다로 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿으로 압착시킬 수 있다. 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿을 약 8 K 파운드 힘으로 ¾ 인치 강철 다이에서 단축 압착시키고/거나 등-압착(iso-pressing) 쉬쓰, 예를 들어, 라텍스 등-압착 쉬쓰를 사용하여 약 25 Kpsi에서 등방압 압착시킬 수 있다. 압착 후, 펠릿을 소결시킬 수 있다. 소결 공정 동안, 펠릿을 약 12시간의 기간에 걸쳐 실온으로부터 최대 온도까지 가열할 수 있고, 최대 온도에서 약 2시간 동안 유지할 수 있다. 또한, 최대 온도는 약 1300℃ 내지 1800℃, 예를 들어, 약 1400℃, 1450℃, 1500℃, 1515℃ 1550℃, 1600℃, 1615℃, 1650℃, 1700℃ 등일 수 있다. 다음으로, 펠릿을 약 12시간의 냉각 기간 동안 다시 실온으로 냉각시킬 수 있다. 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿의 소결은 상기에 기재된 희토류 원소 도판트(130)를 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 형성함을 이해하여야 한다.
소결 후, 펠릿을 또한, 약 1400℃ 내지 약 1800℃, 예를 들어, 약 1515℃, 1625℃ 1650℃ 등의 온도에서 열간 등방압 압착시킬 수 있다. 또한, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿을, 예를 들어, 약 29 Kpsi에서 약 4시간 동안 가열하면서, 고압 하에 배치할 수 있다. 또한, 열간 등방압 압착 공정 동안, 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿을 아르곤 또는 또 다른 불활성 기체 중에 배치할 수 있다. 일부 실시양태에서, 소결 공정 동안 도달되는 최대 온도는 열간 등방압 압착 공정 동안 도달되는 최대 온도보다 높을 수 있다. 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿의 열간 등방압 압착 후, 펠릿을, 예를 들어, 0.5 μm 다이아몬드 피니쉬로 연마할 수 있다. 연마 후, 펠릿을 공기 중에서 1100℃에서 2시간 동안 산화시키고, 이어서 어닐링할 수 있다. 어닐링은 열간 등방압 압착 공정 동안 펠릿 내로 확산된 임의의 탄소를 제거할 수 있다. 이러한 탄소 오염물은, 펠릿을 공기 중에서 약 1200℃에서 약 12시간 동안 어닐링함으로써 제거할 수 있다. 이어서, 어닐링 공정을, 예를 들어 약 4시간 동안 반복할 수 있다. 희토류 도핑된 나노입자(110)를 갖는 펠릿의 소결은 상기에 기재된 희토류 원소 도판트(130)를 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 형성함을 이해하여야 한다.
이제 도 3c 내지 3e를 참조하면, 도 1의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 또 다른 제조 방법이 고려된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 방법은 먼저, 복수의 전이 금속 착물(112), 복수의 희토류 금속 착물(114), 및 탈이온수를 혼합하여 금속 염 용액(115)을 형성하는 것을 포함한다. 일례로서, 금속 염 용액(115)은 약 40 g 내지 약 80 g, 예를 들어, 약 50 g, 60 g, 65 g, 65.53 g, 70 g 등의 전이 금속 착물(112)을 포함할 수 있다. 금속 염 용액(115)은 또한 약 0.01 g 내지 약 0.5 g, 예를 들어, 약 0.05 g, 0.1 g, 0.15 g, 0.2 g, 0.25 g, 0.35 g 등의 희토류 금속 착물(114)을 포함할 수 있다. 또한, 금속 염 용액(115)은 약 2 L 내지 약 6 L, 예를 들어, 약 3 L, 4 L, 4.32 L, 5 L 등의 탈이온수를 포함할 수 있다. 일례에서, 금속 염 용액(115)은 약 4 L의 탈이온수 중의 약 0.2 내지 0.25 몰의 금속 염 (예를 들어, 복수의 전이 금속 착물(112) 및 복수의 희토류 금속 착물(114))을 포함할 수 있다.
또한 도 3c 내지 3e를 참조하면, 방법은 추가로, 금속 염 용액(115)을 가열하여 가열된 금속 염 용액(115')을 형성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 금속 염 용액(115)을 약 70℃ 내지 약 100℃, 예컨대 약 80℃, 90℃, 100℃ 등의 온도로 가열할 수 있다. 일례로서, 가열된 금속 염 용액(115')을 비등시까지 가열할 수 있다. 다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 유기 전구체(116)를 가열된 금속 염 용액(115')과 혼합하여, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 형성을 유도할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유기 전구체(116)의 온도는, 가열된 금속 염 용액(115')과의 혼합시, 가열된 금속 염 용액(115')의 온도보다 낮을 수 있고, 다른 실시양태에서, 유기 전구체(116)는 가열된 금속 염 용액(115')과 동일한 온도 또는 그보다 높은 온도에 있을 수 있다.
또한, 가열된 금속 염 용액(115')의 예비성형, 이어서 유기 전구체(116)와 가열된 금속 염 용액(115')의 혼합은, 도 3a 및 3b와 관련하여 상기에 기재된 전구체 혼합물(111)을 사용하여 형성된 희토류 도핑된 나노입자(110)보다 작은 직경을 갖는 희토류 도핑된 나노입자(110)의 형성을 유도할 수 있다. 예를 들어, 유기 전구체(116) 및 가열된 금속 염 용액(115')의 혼합에 의해 형성된 희토류 도핑된 나노입자(110)는 200 nm 이하, 예컨대 100 nm 이하, 50 nm 이하, 40 nm 이하, 30 nm 이하 등을 포함할 수 있다. 이론에 의해 제한되도록 의도되지는 않지만, 유기 전구체(116) 및 가열된 금속 염 용액(115')의 혼합은 보다 많은 희토류 도핑된 핵을 생성함으로써, 보다 작은 희토류 도핑된 나노입자(110)를 형성하는 것으로 믿어진다.
작동시, 유기 전구체(116), 예컨대 우레아의 열 분해는 OH- 및 CO3 2-를 생성할 수 있고, 이들은 가열된 금속 염 용액(115')의 복수의 전이 금속 착물(112)의 전이 금속 및 복수의 희토류 금속 착물(114)의 희토류 금속과 반응하여 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110), 예를 들어, Y1-xErx(OH)CO3·H2O 나노입자를 생성한다. 또한, Y1-xErx(OH)CO3·H2O 나노입자를 여과 및 수집하고, 이어서 약 500℃ 내지 약 900℃, 예컨대 약 600℃, 700℃, 800℃ 등의 어닐링 온도에서 어닐링하여, Y1-xErx(OH)CO3·H2O 희토류 도핑된 나노입자(110)를 (Y1-xErx)2O3 희토류 도핑된 나노입자(110)로 전환시킬 수 있다. 어닐링되면, 희토류 도핑된 나노입자(110)는 결정 구조를 포함할 수 있다. 또한, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 화학적 수율은 약 85% 내지 약 98%, 예를 들어 88%, 90%, 92%, 95% 등일 수 있다.
또한, 도 3c 내지 3e의 방법에서, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110) 중의 희토류 원소 도판트의 양은, 금속 염 용액(115) 중의 전이 금속 착물(112) 및 희토류 금속 착물(114)의 비율을 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 금속 염 용액(115) 중의 희토류 금속 착물(114)의 상대적 양의 증가는 생성된 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110) 중의 희토류 원소 도판트의 양을 증가시킬 수 있다. 도 3c 내지 3e에 도시된 방법은 추가로, 도 3a 및 3b와 관련하여 상기에 기재된 바와 같이, 밀링 매질을 사용하여 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 밀링하여 슬러리를 형성하고, 슬러리로부터 밀링 매질을 여과하고, 하나 이상의 결합제를 슬러리에 첨가하는 것을 포함할 수 있다.
또한 도 3c 내지 3e를 참조하면, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 제조하는 방법은 다음으로, 도 3a 및 3b와 관련하여 상기에 기재된 소결 공정 중 임의의 것을 사용하여 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 소결시키는 것을 포함할 수 있다. 공정의 일례에서는, 복수의 희토류 도핑된 나노입자(110)를, 예를 들어, 약 6 Klb의 힘 내지 약 10 Klb의 힘, 예컨대 약 8 Klb의 힘으로 강철 다이를 사용하여, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿으로 압착시킬 수 있다. 다음으로, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 실온에서, 예를 들어, 라텍스 등-압착 쉬쓰를 사용하여 약 20 Kpsi 내지 약 30 Kpsi, 예를 들어, 25 Kpsi에서 등방압 압착시킬 수 있다. 이어서, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 1300℃ 이상의 소결 온도에서, 약 1.5시간 내지 약 2.5시간, 예를 들어, 약 2시간의 소결 기간 동안 소결시킬 수 있다. 소결 후, 이어서, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을, 약 1300℃ 내지 약 1600℃ (예를 들어, 1500℃)의 온도에서 약 14시간 내지 약 18시간 (예를 들어, 16시간)의 열간 등방압 압착 기간 동안 약 15 Kpsi 내지 약 35 Kpsi (예를 들어, 29 Kpsi)의 압력에서 열간 등방압 압착시킬 수 있다. 열간 등방압 압착 단계는 아르곤의 존재 하에 흑연로에서 일어날 수 있다. 열간 등방압 압착 동안, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 Y2O3 분말 내에 배치 (예를 들어, 매립)하여 탄소 오염물을 감소시킬 수 있다. 작동시, 열간 등방압 압착은 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 치밀화할 수 있다 (예를 들어, 그의 밀도를 증가시킬 수 있음). 형성 후, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 약 0.5 μm Ra의 표면 피니쉬로 연마할 수 있다.
제조 공정의 일례에서는, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 먼저 약 1550℃의 소결 온도에서 소결시키고, 이어서 약 1515℃의 온도에서 등방압 압착시킬 수 있다. 제조 공정의 제2예에서는, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 먼저 약 1550℃의 소결 온도에서 소결시키고, 이어서 약 1515℃의 온도에서 등방압 압착시킬 수 있다. 제조 공정의 제3예에서는, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿을 먼저 약 1550℃의 소결 온도에서 소결시키고, 이어서 약 1515℃의 온도에서 등방압 압착시킬 수 있다. 상기 제조 공정의 3개의 예 각각에서, 소결 압력은 약 29 Kpsi일 수 있고, 소결 기간은 약 2시간일 수 있고, 열간 등방압 압착 기간은 약 16시간일 수 있다. 또한, 공정의 3개의 예 각각에서, 열간 등방압 압착 온도는 소결 공정보다 낮을 수 있고, 이는 열간 등방압 압착 동안 결정 입자 성장을 최소화한다.
또한, 도 3c 내지 3e의 제조 방법을 사용하여 형성된 생성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 약 70% 내지 약 82%, 예를 들어 75%, 77%, 80%, 81%, 81.5%, 81.7% 등의, 각각 약 1000 nm 내지 약 2000 nm, 예컨대 약 1535 nm, 1550 nm 등의 파장을 포함하는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 복수의 광자의 축방향 광 전송을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 복수의 광자의 산란각은 약 2.5°일 수 있다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 개개의 결정은 약 0.15 μm 내지 약 2.5 μm, 예를 들어, 약 0.2 μm, 0.4 μm, 0.6 μm, 0.8 μm, 1 μm, 1.2 μm, 1.4 μm, 1.6 μm, 1.8 μm, 2 μm, 2.2 μm, 2.4, μm 등의 입자 크기 (예를 들어, 각각의 결정의 최대 치수)를 포함할 수 있다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 개개의 결정의 평균 입자 면적은 약 0.25 μm2 내지 약 0.35 μm2, 예를 들어, 0.26 μm2, 0.27 μm2, 0.28 μm2, 0.29 μm2, 0.3 μm2, 0.31 μm2, 0.32 μm2, 0.33 μm2, 0.34 μm2 등일 수 있다. 또한, 입자 크기는 소결 공정 동안 소결 온도를 변화시킴으로써 조율될 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 소결 온도는 보다 큰 입자 면적을 포함하는 결정을 형성할 수 있다. 일례로서, 희토류 도핑된 나노입자(110)의 펠릿이 약 1550℃의 온도에서 소결되는 경우, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 개개의 결정은 약 0.7 μm 내지 약 2.1 μm의 입자 크기를 포함할 수 있다.
작동시, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 형성에 사용되는 소결 온도는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120) 내에 형성된 산란 중심, 예컨대 잔류 기공의 크기 및 밀도와 상관된다. 보다 낮은 소결 온도는, 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단할 때 산란 유도된 감쇠를 일으키는 산란 중심의 크기 및 밀도를 감소시킨다. 따라서, 산란 중심의 크기 및 밀도의 감소는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 광자의 감쇠 속도를 감소시킬 수 있다. 복수의 광자, 예컨대 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 경우, 복수의 광자의 산란 유도된 감쇠는, 전송된 산란 계수 μ에 의해 정의될 수 있고, 여기서,
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이고, T t 는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 통한 복수의 광자의 총 광 전송이고, T a 는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 복수의 광자의 축방향 광 전송이고, L은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 두께이다. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 복수의 광자의 축방향 광 전송 T a 는 산란 중심이 감소될 때 증가하고, 그에 따라, 보다 낮은 소결 온도를 사용한 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)의 형성은 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 횡단하는 광자의 산란 유도된 감쇠 및 전체 감쇠 속도를 감소시킬 수 있다.
또한, 보다 작은 직경의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 사용하여 형성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는, 보다 큰 직경의 희토류 도핑된 나노입자(110)를 사용하여 형성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)보다 낮은 감쇠 속도를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 3c 내지 3e와 관련하여 기재된 제조 방법을 사용하여 형성된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)는 5 dB/mm 이하, 4 dB/mm 이하, 3 dB/mm 이하, 2 dB/mm 이하, 1 dB/mm 이하 등의 감쇠 속도를 포함할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 양자 리피터 시스템(201), 하나 이상의 자기장 생성 유닛(240), 및 하나 이상의 펌프 레이저(280)를 포함하는 광학 시스템(200)이 개략적으로 도시되어 있다. 양자 리피터 시스템(201)은 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b) 및 리피터 얽힘 광학계(210)를 포함한다. 또한, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 각각 양자 메모리 시스템(100)과 관련하여 상기에 기재된 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(120)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 각각 제1 단부(226) 및 제1 단부(226)의 반대쪽에 있는 제2 단부(228)를 포함한다. 또한, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b) 각각의 결정 격자(222a, 222b) 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트(230)로 도핑된다. 희토류 원소 도판트(230a, 230b)는 상기에 기재된 희토류 원소 도판트(130) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 상기에 기재된 바와 같은 도핑된 다결정 세라믹 광 도파관을 포함할 수 있다. 또한, 양자 메모리 시스템(100)은 추가로, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 열 커플링된 냉각 시스템(290)을 포함할 수 있다. 냉각 시스템(290)은 상기에 기재된 냉각 시스템(190) 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 자기장 생성 유닛(250)은 상기에 기재된 자기장 생성 유닛(140)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는, 하나 이상의 자기장 생성 유닛(250)이 자기장을 생성할 때 하나 이상의 자기장 생성 유닛(250)의 자기장 내에 배치된다. 또한, 도 3에는 단일 자기장 생성 유닛(250)이 도시되어 있지만, 임의 수의 자기장 생성 유닛(250)이 고려됨을 이해하여야 한다. 예를 들어, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 상이한 자기장 생성 유닛(250)의 자기장 내에 배치될 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 광학 시스템(200)은 추가로, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 광 커플링된, 예를 들어, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 제1 단부(226a, 226b)에 광 커플링된 하나 이상의 저장 광자 생성기(270a, 270b)를 포함한다. 예를 들어, 제1 저장 광자 생성기(270a)는 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)의 제1 단부(226a)에 광 커플링될 수 있고, 제2 저장 광자 생성기(270b)는 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)의 제1 단부(226b)에 광 커플링될 수 있다. 하나 이상의 저장 광자 생성기(270a, 270b)는 상기에 기재된 저장 광자 생성기(170) 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
또한, 하나 이상의 펌프 레이저(280)가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 광 커플링된다. 예를 들어, 하나 이상의 펌프 레이저(280)는, 각각 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)에 광 커플링된 제1 펌프 레이저(280a) 및 제2 펌프 레이저(280b) 뿐만 아니라 각각 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)에 광 커플링된 제3 펌프 레이저(280c) 및 제4 펌프 레이저(280d)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 펌프 레이저(280a)는 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)의 제1 단부(226a)에 광 커플링될 수 있고, 제2 펌프 레이저(280b)는 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)의 제2 단부(228a)에 광 커플링될 수 있고, 제3 펌프 레이저(280c)는 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)의 제1 단부(226b)에 광 커플링될 수 있고, 제4 펌프 레이저(280d)는 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)의 제2 단부(228b)에 광 커플링될 수 있다. 또한, 하나 이상의 펌프 레이저(280)는 상기에 기재된 펌프 레이저(180) 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
또한, 하나 이상의 저장 광자 생성기(270a, 270b), 하나 이상의 펌프 레이저(280a, 280b) 및/또는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는, 하나 이상의 저장 광자 생성기(270a, 270b) 및 하나 이상의 펌프 레이저(280)를 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)와 광학적으로 정렬시키기 위한 하나 이상의 정렬 메커니즘(242)에 커플링될 수 있다. 또한, 하나 이상의 정렬 메커니즘(242)은 상기에 기재된 정렬 메커니즘(142) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 또한, 희토류 원소 도판트(230a, 230b)로 도핑된, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 도 1 및 2와 관련하여 상기에 기재된 바와 같이 저장 광자를 흡수하고 방출하도록 구성된다.
광학 시스템(200)은 추가로, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에, 예를 들어, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 각각의 제1 단부(226a, 226b)에 광 커플링된 제1 및 제2 WDM(260a, 260b)을 포함할 수 있다. WDM(260a, 260b)은 각각 상기에 기재된 WDM(160)을 포함할 수 있다. 또한, WDM(260a, 260b)은 저장 광자 경로(262a, 262b) 및 펌프 펄스 경로(264a, 264b) 둘 다에 광 커플링될 수 있고, 예를 들어, WDM(260a, 260b)은 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 제1 단부(226a, 226b)와 저장 광자 경로(262a, 262b) 및 펌프 펄스 경로(264a, 264b) 둘 다의 사이에 배치될 수 있다.
저장 광자 경로(262a, 262b)는 WDM(260a, 260b)와 리피터 얽힘 광학계(210) 사이에서 연장될 수 있다. 예를 들어, 제1 저장 광자 경로(262a)는 제1 WDM(260a)과 리피터 얽힘 광학계(210)의 제1 얽힘 경로(212a) 사이에서 연장되고 이들을 광 커플링할 수 있다. 또한, 제2 저장 광자 경로(262b)는 제2 WDM(260b)과 리피터 얽힘 광학계(210)의 제2 얽힘 경로(212b) 사이에서 연장되고 이들을 광 커플링할 수 있다. 또한, 펌프 펄스 경로(264a, 264b)는 WDM(260a, 260b)과, 상기에 기재된 펌프 펄스 수신기(168)를 포함할 수 있는 펌프 펄스 수신기(268a, 268b) 사이에서 연장될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(200)은 추가로, 각각의 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 각각의 제1 단부(226a, 226b)에 인접하여 배치되고 이들에 광 커플링된 제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)는 상기에 기재된 광 서큘레이터(150) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)는 각각 3개 이상의 광 포트, 예를 들어, 제1 광 포트 (252a, 252b), 제2 광 포트 (254a, 254b), 및 제3 광 포트 (256a, 256b)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)는 각각의 제1 및 제2 저장 광자 생성기(270a)와 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b) 사이에 배치된다. 예를 들어, 제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)의 제1 광 포트(252a, 252b)는 각각의 제1 및 제2 저장 광자 생성기(270a, 270b)에 광 커플링되고, 제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)의 제2 광 포트(254a, 254b)는 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 각각의 제1 단부(226a, 226b)에 광 커플링된다.
또한, 제1 광 서큘레이터(250a)는 또한, 제1 광 서큘레이터(250a)의 제1 광 포트(252a)는 하나 이상의 펌프 레이저(280) 중 적어도 하나 (예를 들어, 제1 펌프 레이저(280a))에 광 커플링되고, 제1 광 서큘레이터(250a)의 제2 광 포트(254a)는 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)의 제1 단부(226a)에 광 커플링되도록, 펌프 레이저(280) 중 적어도 하나 (예를 들어, 제1 펌프 레이저(280a))와 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a), 예를 들어, 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)의 제1 단부(226a) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 저장 광자 생성기(270a) 및 제1 펌프 레이저(280a)는 각각, 제1 저장 광자 생성기(270a)에 의해 산출된 저장 광자 및 제1 펌프 레이저(180a)에 의해 산출된 펌프 펄스가 제1 광 서큘레이터(250a)의 제1 광 포트(252a)로 도입되고, 제1 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a)의 제1 단부(226a)를 향해 제2 광 포트(254a)로부터 나오도록, 제1 광 서큘레이터(250a)의 제1 광 포트(252a)에 광 커플링된다.
또한, 제2 광 서큘레이터(250b)는 또한, 제2 광 서큘레이터(250b)의 제1 광 포트(252b)는 하나 이상의 펌프 레이저(280) 중 적어도 하나 (예를 들어, 제3 펌프 레이저(280c))에 광 커플링되고, 제2 광 서큘레이터(250b)의 제2 광 포트(254b)는 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)의 제1 단부(226b)에 광 커플링되도록, 펌프 레이저(280) 중 적어도 하나 (예를 들어, 제3 펌프 레이저(280c))와 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b), 예를 들어, 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)의 제1 단부(226b) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 저장 광자 생성기(270b) 및 제3 펌프 레이저(280c)는 각각, 제2 저장 광자 생성기(270b)에 의해 산출된 저장 광자 및 제3 펌프 레이저(280c)에 의해 산출된 펌프 펄스가 제2 광 서큘레이터(250b)의 제1 광 포트(252b)로 도입되고, 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220b)의 제1 단부(226b)를 향해 제2 광 포트(254b)로부터 나오도록, 제2 광 서큘레이터(250b)의 제1 광 포트(252b)에 광 커플링된다.
제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)는 또한, 각각의 제1 및 제2 WDM(260a, 260b)과 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b), 예를 들어, 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 각각의 제1 단부(226a, 226b) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 광 서큘레이터(250a, 250b)의 제3 광 포트(256a, 256b)는, 제1 및 제2 WDM(260a, 260b)이 저장 광자가 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 제1 단부(226a, 226b)로부터 나온 후 저장 광자를 수신하고, 제1, 제2, 제3, 및 제4 펌프 레이저(280a, 280b, 280c, 280d)에 의해 산출된 펌프 펄스 중 일부 또는 전부를 수신할 수 있도록, 각각의 제1 및 제2 WDM(260a, 260b)에 광 커플링된다.
또한 도 4를 참조하면, 양자 리피터 시스템(201)의 리피터 얽힘 광학계(210)는 각각, 예를 들어, 제1 및 제2 WDM(260a, 260b) 및 제1 및 제2 저장 광자 경로(262a, 262b)를 사용하여, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 제2 단부(228a, 228b)에 광 커플링된 2개의 얽힘 경로(212a, 212b)를 포함한다. 2개의 얽힘 경로(212a, 212b)는 또한, 2개의 얽힘 검출기(214a, 214b)에 광 커플링될 수 있다. 리피터 얽힘 광학계(210)는 추가로, 각각의 얽힘 경로(212a, 212b)가 빔스플리터(216)를 횡단하도록 배치된 빔스플리터(216)를 포함한다. 또한, 2개의 얽힘 검출기(214a, 214b)는 각각 하나 이상의 단일-광자 검출기, 예를 들어, 초전도성 나노와이어 단일-광자 검출기, 저잡음 포토다이오드를 포함할 수 있다. 작동시, 리피터 얽힘 광학계(210)는, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 의해 산출된 저장 광자가 빔스플리터(216)를 동시에 횡단할 때 저장 광자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된다.
작동시, 희토류 원소 도판트(230a, 230b)로 도핑된, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는, 저장 광자 생성기(270a, 270b)에 의해 방출된 개개의 저장 광자를 흡수하고 저장하도록 구조적 및 조성적으로 구성된다. 예를 들어, 성형된 스펙트럼 구조가 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 희토류 원소 도판트(230)에서 생성되어 있고, 저장 광자가 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)를 횡단하고 있을 때, 각각의 저장 광자는 각각 희토류 원소 도판트(230a, 230b)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을, 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 제1 분열 기저 상태 G1로부터 여기 에너지 상태 E1로 전달하여, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b) 내에 각각의 저장 광자를 각각 흡수할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 펌프 레이저(280a, 280b)에 의해 산출된 제1 펌프 펄스의 수신에 따라, 각각의 제1 펌프 펄스는 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 희토류 원소 도판트(230a, 230b)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 여기 에너지 상태 E1로부터 제2 분열 기저 상태 G2로 전달하여, 각각의 저장 광자를 저장할 수 있다.
희토류 원소 도판트(230a, 230b)로 도핑된, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 또한, 요구에 따라, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b) 내에 저장된 저장 광자를 방출하도록 구조적 및 조성적으로 구성된다. 예를 들어, 제3 및 제4 펌프 레이저(280a, 280b)에 의해 산출된 제2 펌프 펄스의 수신에 따라, 희토류 원소 도판트(230a, 230b)의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩은 제2 분열 기저 상태 G2로부터 다시 여기 에너지 상태 E1로 전달된다. 여기 에너지 상태 E1에 있으면, 희토류 원소 도판트(230a, 230b)의 성형된 스펙트럼 구조는 지연 기간 후 저장 광자를 자동적으로 방출하고, 그에 따라 저장 광자가 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b), 예를 들어, 각각의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)의 제1 단부(226a, 226b)로부터 나오게 된다.
또한, 제3 및 제4 펌프 레이저(280c, 280d)가 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 의해 동시에 수신된 제2 펌프 펄스를 방출하는 경우 (예를 들어, 제2 펌프 펄스를 동시에 방출함으로써), 제1 및 제2 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 저장 광자를 동시에 방출할 것이고 (지연 기간 후에), 이는 저장 광자가 리피터 얽힘 광학계(210)의 빔스플리터(216)를 동시에 횡단하여, 저장 광자가 얽힐 수 있게 한다. 또한, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)는 긴 광자 저장 수명을 포함하기 때문에, 하나의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a/220b)는, 다른 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a/220b)가 제2 저장 광자를 흡수하고 저장하기 전에, 제1 저장 광자를 흡수하고 저장하여, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 의해 동시에 수신되지 않은 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치(220a, 220b)에 의해 동시에 방출되고, 리피터 얽힘 광학계(210)에 의해 얽힐 수 있게 할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 광학 시스템(200)은, 4개 이상의 얽힌 광자, 예를 들어, 광자의 2개 이상의 얽힌 쌍을 생성하도록 구조적으로 구성된 얽힌 광자 생성기(301)로서 배열될 수 있다. 또한, 광학 시스템(200)은, 양자 키 생성 시스템, 예를 들어, 미국 특허 출원 번호 14/680,522에 기재된 양자 키 생성 시스템의 하나 이상의 광자 얽힘 사슬 내에 배치될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 얽힌 광자 생성기(301)로서 배열된 광학 시스템(200)은 제1 양자 리피터 시스템(310a), 제2 양자 리피터 시스템(310b), 리피터 커플링 얽힘 광학계(370), 경로 스플리터(375), 및 얽힘 검출기(372)를 포함한다. 또한, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템(310a, 310b)은 도 4와 관련하여 상기에 기재된 양자 리피터 시스템(201) 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템(310a, 310b)은, 각각의 얽힘 경로(212a, 212b)가 얽힌 광자 생성기(301)의 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)에 광 커플링될 수 있도록 2개의 얽힘 검출기(214a, 214b)를 포함하지 않는 얽힘 광학부계 (예를 들어, 상기 도 4의 리피터 얽힘 광학계(210))를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템(310a, 310b)은 얽힘 검출기(214a, 214b)를 포함할 수 있고, 예를 들어, 얽힘 검출기(214a, 214b)가 그 안에서 종결되는 저장 광자 없이 저장 광자를 검출하도록 구조적으로 구성되는 경우, 얽힌 광자 생성기(301)의 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)는 각각의 얽힘 경로(212a, 212b)에 광 커플링될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)는 제1 양자 리피터 시스템(310a) 및 얽힘 검출기(372)에 광 커플링되고 이들 사이에서 연장되는 제1 얽힘 경로(371a) 및 제2 양자 리피터 시스템(310b) 및 경로 스플리터(375)에 광 커플링되고 이들 사이에서 연장되는 제2 얽힘 경로(371b)를 포함할 수 있다. 추가의 얽힘 경로(371)가 추가의 양자 리피터 시스템(310)을 포함하는 실시양태에서 고려된다. 일부 실시양태에서, 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)는 추가로, 각각의 얽힘 경로(371a, 371b)가 빔스플리터(373)를 횡단하도록 배치된 빔스플리터(373)를 포함한다. 작동시, 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)는, 다수의 광자가 빔스플리터(373)를 동시에 횡단할 때 다수의 광자 (예를 들어, 저장 광자)를 얽히게 하도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템(310a, 310b)에 의해 산출된 광자의 각각의 얽힌 쌍이 빔스플리터(373)를 동시에 횡단할 때, 모든 4개의 광자가 서로 얽힌다.
또한, 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)는, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템(310a, 310b) 각각에 의해 산출된 얽힌 광자의 일부 또는 전부가 얽힘 검출기(372) 및/또는 경로 스플리터(375)에 의해 수신되도록 구성된다. 예를 들어, 광자의 제1 얽힌 쌍이 제1 양자 리피터 시스템(310a)에 의해 산출되고, 광자의 제2 얽힌 쌍이 제2 양자 리피터 시스템(310b)에 의해 산출되고, 광자의 이들 2개의 얽힌 쌍이 빔스플리터(373)에서 서로 얽힐 때, 적어도 3개의 결과 중 하나가 일어날 확률이 존재하며, 이는 파동 함수:
Figure 112018123330768-pct00028
에 의해 수학적으로 기재된다. 제1 결과에서, 얽힘 검출기(372) 및 경로 스플리터(375)는 둘 다 4개의 얽힌 광자 중 2개를 수신하고, 이는 상기 파동 함수에서 케트(ket)
Figure 112018123330768-pct00029
로 수학적으로 기재된다. 제2 결과에서, 얽힘 검출기(372)는 4개의 얽힌 광자를 수신하고, 이는 상기 파동 함수에서 케트
Figure 112018123330768-pct00030
또는
Figure 112018123330768-pct00031
중 하나로 수학적으로 기재된다. 제3 결과에서, 경로 스플리터(375)는 4개의 얽힌 광자를 수신하고, 이는 상기 파동 함수에서 케트
Figure 112018123330768-pct00032
또는
Figure 112018123330768-pct00033
중 하나로 수학적으로 기재된다. 일부 실시양태에서, 경로 스플리터(375)가 4개의 얽힌 광자를 수신하는 확률은 약 3/8이다. 또한, 광자의 추가의 얽힌 쌍 (예를 들어, N개의 얽힌 광자)가 리피터 커플링 얽힘 광학계(370)에 의해 얽힐 수 있도록 하는 추가의 매개변수 하향 변환 생성기를 포함하는 실시양태가 고려된다. N개의 얽힌 광자를 포함하는 실시양태에서, N개의 얽힌 광자가 얽힘 검출기(372), 경로 스플리터(375), 또는 이들 둘의 조합에 의해 수신되는 확률은 일반화된 케트:
Figure 112018123330768-pct00034
에 의해 수학적으로 기재된다.
또한, 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 얽힘 경로(371a, 371b) 둘 다의 적어도 일부는 다중코어 광섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(373)와 경로 스플리터(375) 사이에서 연장되는 제1 얽힘 경로(371a)의 일부 및 빔스플리터(373)와 경로 스플리터(375) 사이에서 연장되는 제2 얽힘 경로(371b)의 일부는 각각 다중코어 광섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 얽힘 경로(371a, 371b) 둘 다의 적어도 일부는 하나 이상의 광 도파관을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 경로 스플리터(375)는, 광자의 얽힌 쌍을 경로 스플리터(375)에 광 커플링된 광섬유 링크(360) 내로 지향시키도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 경로 스플리터(375)가 4개의 얽힌 광자를 수신할 때, 경로 스플리터(375)는 4개의 얽힌 광자 중 2개를 하나의 광섬유 링크(360) 내로 지향시킬 수 있고, 경로 스플리터(375)는 4개의 얽힌 광자 중 2개를 또 다른 광섬유 링크(360) 내로 지향시킬 수 있다. 광섬유 링크(360)는 임의의 광섬유, 예를 들어, 단일 코어를 포함하거나 다중 코어를 포함하는 유리 광섬유를 포함할 수 있다. 또한, 얽힌 광자 생성기(301)가 4개 초과의 얽힌 광자를 생성하도록 구성되는 실시양태에서, 경로 스플리터(375)는 얽힌 광자의 제1 서브세트 (예를 들어, 약 절반)를 하나의 광섬유 링크(360) (예를 들어, 제1 광섬유 링크) 내로 지향시킬 수 있고, 경로 스플리터(375)는 또한 얽힌 광자의 제2 서브세트 (예를 들어, 약 절반)를 또 다른 광섬유 링크(360) (예를 들어, 제2 광섬유 링크) 내로 지향시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 경로 스플리터(375)는 융합된 쌍원뿔 테이퍼 스플리터, 평면 광파 회로 스플리터 등을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 얽힘 검출기(372)는, 얽힘 검출기(372)에 의해 수신된 광자의 수를 측정하도록 구조적으로 구성되고, 이는 또한 경로 스플리터(375)에 의해 수신된 광자의 수와 관련된 정보를 제공한다. 예를 들어, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템(310a, 310b) 각각에 의해 2개의 얽힌 광자가 산출되고, 얽힘 검출기(372)에 의해 0개의 얽힌 광자가 수신되는 경우에는, 모든 4개의 얽힌 광자가 경로 스플리터(375)에 의해 수신된다. 일부 실시양태에서, 얽힘 검출기(372)는 다-광자 검출기를 포함할 수 있다. 대안적 실시양태에서, 얽힘 검출기(372)는 단일-광자 검출기, 예를 들어 초전도성 나노와이어 단일-광자 검출기, 저잡음 포토다이오드 등을 포함할 수 있다.
본원에서 본 개시내용의 구성요소가, 특정 방식으로, 특정 특성을 구현하도록, 또는 특정 방식으로 기능하도록 "구성된" 것으로 설명된 것은, 의도된 용도의 설명이 아니라, 구조적 설명임을 인지한다. 보다 구체적으로, 본원에서, 구성요소가 "구성된" 방식의 언급은, 구성요소의 존재하는 물리적 조건을 나타내며, 그에 따라, 구성요소의 구조적 특징의 명확한 설명으로서 이해되어야 한다.
본 발명을 설명하고 정의하는 목적상, 용어 "약"은, 임의의 양적 비교, 값, 측정치, 또는 다른 표현에 기인할 수 있는 내재적 불확실성의 정도를 나타내기 위해 본원에서 사용됨을 인지한다. 용어 "약"은 또한, 양적 표시가 다루어지는 주제의 기본적 기능 변화를 초래하지 않으면서 언급된 기준으로부터 변동될 수 있는 정도를 나타내기 위해 본원에서 사용된다.
본 개시내용의 주제를 상세히 그의 구체적 실시양태를 참조로 하여 기재하였지만, 본원에 개시된 다양한 상세사항은, 이들 상세사항이, 심지어 특정 요소가 본 설명에 첨부된 도면 각각에서 예시되는 경우에도, 본원에 기재된 다양한 실시양태의 필수적 구성요소인 요소에 관한 것임을 시사하는 것으로 이해되어선 안됨을 인지한다. 또한, 첨부된 청구범위에 정의된 실시양태를 포함하나 이에 제한되지는 않는, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않는 변형 및 변화가 가능함이 명백할 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용의 일부 측면이 바람직한 또는 특히 유리한 것으로 확인되어 있을지라도, 본 개시내용이 반드시 이들 측면으로 제한되지는 않음을 고려한다.
하기 청구범위 중 하나 이상에서 전환 어구로서 용어 "여기서"가 사용됨을 인지한다. 본 발명을 정의하는 목적상, 이 용어는, 구조의 일련의 특징들의 설명을 도입하기 위해 사용되는 개방형 전환 어구로서 청구범위에서 도입되며, 보다 통상적으로 사용되는 개방형 전제 용어 "포함하는"과 유사한 방식으로 해석되어야 함을 인지한다.

Claims (25)

  1. 투명하고 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치와, 자기장 생성 유닛와, 하나 이상의 펌프 레이저를 포함하는 양자 메모리 시스템이며,
    투명하고 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    하나 이상의 펌프 레이저는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고,
    투명하고 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되는,
    양자 메모리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 펌프 레이저가, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 광조사하고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 희토류 원소 도판트 내에 성형된 스펙트럼 구조를 생성하도록 구성되는,
    양자 메모리 시스템.
  3. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치와, 자기장 생성 유닛와, 하나 이상의 펌프 레이저를 포함하는 양자 메모리 시스템이며,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    하나 이상의 펌프 레이저는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되고,
    희토류 원소 도판트가, (i) 저장 광자가 희토류 원소 도판트의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 제1 분열 기저 상태로부터 여기 에너지 상태로 전달하고, (ii) 하나 이상의 펌프 레이저에 의해 산출된 제1 펌프 펄스의 수신에 따라, 제1 펌프 펄스가 희토류 원소 도판트의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩을 여기 에너지 상태로부터 제2 분열 기저 상태로 전달할 때에, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 횡단하는 저장 광자를 흡수하도록 구성되고,
    희토류 원소 도판트가, (i) 하나 이상의 펌프 레이저에 의해 산출된 제2 펌프 펄스의 수신에 따라, 희토류 원소 도판트의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩이 제2 분열 기저 상태로부터 여기 에너지 상태로 전달되고, (ii) 희토류 원소 도판트의 성형된 스펙트럼 구조의 중첩이 지연 기간 후 저장 광자를 자동적으로 방출하고, 그에 따라 저장 광자가 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치로부터 나오게 될 때에, 저장 광자를 방출하도록 구성되는,
    양자 메모리 시스템.
  4. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치와, 자기장 생성 유닛와, 하나 이상의 펌프 레이저를 포함하는 양자 메모리 시스템이며,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    하나 이상의 펌프 레이저는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치가 산화이트륨, 산화지르코늄, 또는 이들의 조합을 포함하는,
    양자 메모리 시스템.
  5. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치와, 자기장 생성 유닛와, 하나 이상의 펌프 레이저를 포함하는 양자 메모리 시스템이며,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    하나 이상의 펌프 레이저는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치가 공극을 갖지 않는,
    양자 메모리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치가, 다결정 세라믹 코어 및 상기 다결정 세라믹 코어를 둘러싼 클래딩을 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광 도파관을 포함하고,
    클래딩은, 다결정 세라믹 코어의 굴절률보다 낮은 굴절률을 포함하고,
    도핑된 다결정 세라믹 광 도파관의 다결정 세라믹 코어는, 다결정 세라믹 코어의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되는,
    양자 메모리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    희토류 원소 도판트가 에르븀, 툴륨, 프라세오디뮴, 또는 이들의 조합을 포함하는,
    양자 메모리 시스템.
  8. 제1항, 제4항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    희토류 원소 도판트가, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 총 분자량의 0.05% 내지 0.15%를 구성하는,
    양자 메모리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 펌프 레이저가, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제1 단부에 광 커플링된 제1 펌프 레이저와, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제2 단부에 광 커플링된 제2 펌프 레이저를 포함하는,
    양자 메모리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제1 단부에 광 커플링된 광 서큘레이터를 추가로 포함하고,
    광 서큘레이터는 제1 광 포트, 제2 광 포트 및 제3 광 포트를 포함하고,
    광 서큘레이터의 제1 광 포트는 저장 광자 생성기에 광 커플링되고, 제2 광 포트는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제1 단부에 광 커플링되도록, 저장 광자 생성기와 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제1 단부 사이에 광 서큘레이터가 배치되고,
    광 서큘레이터의 제1 광 포트는 하나 이상의 펌프 레이저 중 적어도 하나에 광 커플링되고, 제2 광 포트는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제1 단부에 광 커플링되도록, 하나 이상의 펌프 레이저 중 적어도 하나와 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 제1 단부 사이에 광 서큘레이터가 배치되고,
    광 서큘레이터의 제3 광 포트는 파장 분할 멀티플렉서에 광 커플링되는,
    양자 메모리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 펌프 레이저가, 제1 펌프 광자 파장을 포함하는 제1 펌프 광자 및 제2 펌프 광자 파장을 포함하는 제2 펌프 광자를 생성하도록 구조적으로 구성되고,
    제1 펌프 광자 파장 및 제2 펌프 광자 파장의 각각은, 희토류 원소 도판트로 도핑되는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 흡수 피크의 20 nm 내에 있는,
    양자 메모리 시스템.
  12. 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치와, 자기장 생성 유닛와, 하나 이상의 펌프 레이저를 포함하는 양자 메모리 시스템이며,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    하나 이상의 펌프 레이저는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되고,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 광 커플링된 저장 광자 생성기를 추가로 포함하고,
    저장 광자 생성기는, 제2 얽힌 저장 광자와 얽혀 있는 제1 얽힌 저장 광자를 포함하는 저장 광자의 얽힌 쌍을 산출하도록 구조적으로 구성되는,
    양자 메모리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치에 열 커플링된 냉각 시스템을 추가로 포함하고,
    냉각 시스템은 냉각 챔버를 포함하고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는 냉각 챔버 내에 배치되고,
    냉각 시스템은 레이저 냉각 시스템을 포함하고, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치는 레이저 냉각 시스템에 광 커플링되는,
    양자 메모리 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치 내로 도핑된 희토류 원소 도판트가, 500 ns 내지 1 ms를 포함하는 광자 저장 수명 동안 저장 광자를 저장하도록 구성되는,
    양자 메모리 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치 내로 도핑된 희토류 원소 도판트가, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 횡단하는 저장 광자의 50% 이상을 흡수하도록 구성되는,
    양자 메모리 시스템.
  16. 양자 리피터 시스템과, 하나 이상의 자기장 생성 유닛과, 하나 이상의 펌프 레이저를 포함하는 광학 시스템이며,
    양자 리피터 시스템은, 2개의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치 및 리피터 얽힘 광학계를 포함하고,
    양자 리피터 시스템의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 각각은, 하나 이상의 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 하나 이상의 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    양자 리피터 시스템의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 각각은, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되고,
    하나 이상의 펌프 레이저 중 적어도 하나는, 양자 리피터 시스템의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 각각에 광 커플링되고,
    리피터 얽힘 광학계는, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 각각에 광 커플링된 2개의 얽힘 경로와, 얽힘 경로의 각각이 빔스플리터를 횡단하도록 배치된 빔스플리터를 포함하는,
    광학 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    리피터 얽힘 광학계가, 2개의 얽힘 경로에 광 커플링된 2개의 얽힘 검출기를 추가로 포함하는.
    광학 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    양자 리피터 시스템이 제1 양자 리피터 시스템이고, 광학 시스템이 제2 양자 리피터 시스템과, 리피터 커플링 얽힘 광학계와, 경로 스플리터와, 얽힘 검출기를 추가로 포함하고,
    제2 양자 리피터 시스템은, 2개의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치 및 리피터 얽힘 광학계를 포함하고,
    제2 양자 리피터 시스템의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 각각은, 하나 이상의 자기장 생성 유닛이 자기장을 생성할 때 하나 이상의 자기장 생성 유닛의 자기장 내에 배치되고,
    제2 양자 리피터 시스템의 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 각각은, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트로 도핑되고,
    리피터 커플링 얽힘 광학계는, 제1 양자 리피터 시스템 및 얽힘 검출기에 광 커플링되고 제1 양자 리피터 시스템과 얽힘 검출기 사이에서 연장되는 제1 얽힘 경로와, 제2 양자 리피터 시스템 및 경로 스플리터에 광 커플링되고 제2 양자 리피터 시스템과 경로 스플리터 사이에서 연장되는 제2 얽힘 경로를 포함하는,
    광학 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    리피터 커플링 얽힘 광학계는, 얽힘 경로의 각각이 빔스플리터를 횡단하도록 배치된 빔스플리터를 추가로 포함하고,
    리피터 커플링 얽힘 광학계는, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템에 의해 산출된 광자의 얽힌 쌍의 각각이 빔스플리터를 동시에 횡단할 때, 제1 및 제2 양자 리피터 시스템에 의해 산출된 광자의 얽힌 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되고,
    경로 스플리터는, 2개의 얽힌 광자를 제1 광섬유 링크 내로 지향시키고, 2개의 얽힌 광자를 제2 광섬유 링크 내로 지향시키도록 구조적으로 구성되는,
    광학 시스템.
  20. 복수의 전이 금속 착물 및 복수의 희토류 금속 착물을 혼합하여 금속 염 용액을 형성하는 단계와,
    금속 염 용액을 가열하여 가열된 금속 염 용액을 형성하는 단계와,
    가열된 금속 염 용액 및 유기 전구체를 혼합하여, 가열된 금속 염 용액과 유기 전구체 사이의 화학 반응을 유도하여, 복수의 희토류 도핑된 나노입자를 생성하는 단계와,
    복수의 희토류 도핑된 나노입자를 소결시켜, 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치의 결정 격자 내에 균일하게 분포된 희토류 원소 도판트를 갖는 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는 단계를 포함하는,
    도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 제조하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    복수의 희토류 도핑된 나노입자가 각각 200 nm 이하의 직경을 포함하는,
    방법.
  22. 제20항에 있어서,
    복수의 희토류 도핑된 나노입자가 각각 40 nm 이하의 직경을 포함하는,
    방법.
  23. 제20항에 있어서,
    가열된 금속 염 용액을 유기 전구체와 혼합할 때, 유기 전구체의 온도가 가열된 금속 염 용액의 온도보다 낮은,
    방법.
  24. 제20항에 있어서,
    복수의 희토류 도핑된 나노입자를 소결 기간 동안 1300℃ 이상의 소결 온도에서 소결시켜 도핑된 다결정 세라믹 광학 장치를 형성하는,
    방법.
  25. 제20항에 있어서,
    복수의 전이 금속 착물이 지르코늄을 갖는 금속 염, 이트륨을 갖는 금속 염, 또는 이들의 조합을 포함하고,
    유기 전구체가 우레아, 수산화암모늄, 또는 이들의 조합을 포함하는,
    방법.
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