基于单个囚禁离子的单光子源制造技术

技术编号:15393331 阅读:80 留言:0更新日期:2017-05-19 05:46
本发明专利技术公开了基于单个囚禁离子的单光子源,包括真空室、离子阱芯片和钙原子炉,离子阱芯片包括参砷硅基片、第一二氧化硅层和第二二氧化硅层,参砷硅基片上设置有基片通孔,基片通孔的相对的侧壁分别设置有光纤固定槽,两个光纤固定槽内分别设置有共光轴的两个多模光纤,两个多模光纤的相对的端面为凹面,凹面的表面设置介质膜,两个多模光纤的凹面的焦点重合,两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔,本发明专利技术实现单个离子的多普勒极限冷却。单光子源具有很高的产生效率。便于与现有的光通信系统连接。使制备的单光子线宽达到离子能级跃迁的自然线宽。

Single photon source based on a single trapped ion

The invention discloses a single photon source based on single trapped ion, including vacuum chamber, ion trap chip and calcium atomic furnace, including arsenic ion trap chip silicon substrate, a first silicon dioxide layer and second layers of silicon dioxide, silicon substrate arsenic ginseng is arranged on the substrate through hole, side wall opposite to the substrate through hole the optical fiber are respectively provided with a fixing groove, two fiber fixing groove are respectively provided with two multimode fiber optical axis, two multimode fiber relative to the end surface is concave, concave surface of the dielectric film set, the focal points two multimode fiber surface, optical micro cavity is formed between the two multi mode optical fiber the concave, the invention realizes the Doppler limit of single ion cooling. The single photon source has high production efficiency. It is easy to connect with the existing optical communication system. The prepared single photon linewidth reaches the natural linewidth of the ion energy level transition.

【技术实现步骤摘要】
基于单个囚禁离子的单光子源
本专利技术涉及量子信息处理
,具体涉及基于单个囚禁离子的单光子源,可以产生单光子输出的装置,提高了单光子输出效率,并压窄了单光子线宽,提高了量子通信的传输距离,并改善了量子通信的安全性。
技术介绍
量子特性在信息领域中有着独特的功能,在提高运算速度,确保信息安全,增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限,于是便诞生了一门新的学科分支——量子信息科学。它是量子力学与信息科学相结合的产物,包括:量子密码,量子通信,量子计算和量子测量等,近年来,在理论和实验上已经取得了重要突破,引起各国政府,科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越坚信,量子信息科学为信息科学的发展开创了新的原理和方法,将在21世纪发挥出巨大潜力,而其中量子密码是量子信息科学中很重要的应用领域之一。由于量子密码的安全性由量子力学原理所保证,被测量可感知和不可克隆性确保了量子密码不会不留痕迹的被窃听,因此是非常安全的。单光子源是指在同一时间仅仅发射一个光子的光源,是量子密码学,量子通信和量子计算的理想光源。如何找到一个理想稳定的单光子源对于目前量子密码学,量子通信和量子计算的研究是一个需要迫切解决的问题。目前广泛应用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1个光子,由于光子的泊松分布特征,通过这样的衰减途径实现的单光子源中,单个脉冲中存在2个光子的几率依然不可忽略,所以这是一种近似的单光子源,其效率低,既影响量子密钥的传输距离,又影响其安全性。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的一个关键性问题。一个有效的提高量子通讯数据率和信噪比的方法就是采用根号的单光子源,不仅提高了整个系统的重复频率而且提高了每个触发脉冲都包含单个光子的概率。途径通常有如下几种:1、利用量子点,虽然由量子点产生的单光子已用于演示量子密钥分配实验和产生偏振纠缠的光子对,但是由于这种技术要求低于10K的温度,而且所产生纠缠光子的波长不可调,此外,这种光子高效的与单模光纤耦合比较困难。2、利用基于晶体二阶非线性效应的参量下转换过程的量子关联的光子对,相对来讲,这种方法技术上比较简单。描述这种单光子源的关键指标就是宣布效率H,其物理意义是在信号光波段出现一个光子时,孪生光子出现在闲置光波段的概率。然而,由于模式匹配的原因,在将这种光子与单模光纤高效的耦合时,也存在技术上的困难。目前这种单光子源的宣布效率比较低,尤其是带宽小于1nm时,目前H的值小于0.5。3、利用被囚禁在高精细度腔内的单原子或分子,这种技术原则上来讲可以产生非常接近理想状态的单光子。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题,提供基于单个囚禁离子的单光子源,满足量子通信和量子计算的需要。利用囚禁的单个离子发出的荧光来产生单光子输出,其单光子源的线宽非常窄,而且可以保证输出的单光子为理想的单光子。可以增加量子通信的传输距离而且提高了通信的安全性,同时在量子计算方面可以增加量子态的保真度和相干时间。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现:基于单个囚禁离子的单光子源,包括真空室,还包括设置在真空室内的离子阱芯片和钙原子炉,离子阱芯片包括参砷硅基片和分别设置在参砷硅基片两面的第一二氧化硅层和第二二氧化硅层,参砷硅基片上设置有基片通孔,基片通孔的相对的两个侧壁上分别设置有光纤固定槽,两个光纤固定槽内分别设置有两个多模光纤,两个多模光纤的相对端共光轴,两个多模光纤的相对的端面为凹面,两个多模光纤的凹面的焦点重合,两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔,光学微腔的焦点与两个多模光纤的凹面的焦点重合,第一二氧化硅层上位于基片通孔的部分开设有第一二氧化硅层通孔,第二二氧化硅层上位于基片通孔的部分开设有第二二氧化硅层通孔,第一二氧化硅层和第二二氧化硅层上设置有用于在光学微腔内形成直流控制电场的直流电极、用于在光学微腔内形成射频囚禁电场的射频电极以及用于在光学微腔内形成直流控制补偿电场的微运动补偿电极。如上所述的微运动补偿电极和直流电极均为10个,射频电极为2个,5个直流电极设置在第一二氧化硅层通孔的一侧,5个微运动补偿电极和1个射频电极设置在第一二氧化硅层通孔的另一侧,另外5个直流电极设置在第二二氧化硅层通孔的一侧,另外5个微运动补偿电极和另外1个射频电极设置在第二二氧化硅层通孔的另一侧,第一二氧化硅层通孔的一侧的5个直流电极和第二二氧化硅层通孔的一侧的5个直流电极分别位于光学微腔的两侧。如上所述的第一二氧化硅层通孔和第二二氧化硅层通孔的横截面小于基片通孔的横截面。如上所述的离子阱芯片固定在滤波电路板上的芯片放置孔内,滤波电路板固定在芯片支撑架上,钙原子炉固定在芯片支撑架上,芯片支撑架固定在直流馈通上,滤波电路板上设置有一阶无源RC滤波电路和射频导线,直流电极和微运动补偿电极均通过一阶无源RC滤波电路与直流馈通连接,射频电极通过射频导线与射频馈通连接,两个多模光纤分别与光纤馈通连接。如上所述的真空室上沿同一分布圆周均匀设置有第一CF35接口~第八CF35接口,真空室上还设置有第一CF100接口和第二CF100接口,第一CF35接口上设置有用于入射光电离激光和冷却激光到光学微腔的焦点的通光窗口,第三CF35接口上设置有用于入射单光子产生激光到光学微腔的焦点的通光窗口,第五CF35接口和第七CF35接口上分别安装通光窗口,第四CF35接口和第八CF35接口上均安装光纤馈通,在第二CF35接口上安装射频馈通,第六CF35接口通过4通真空连接器分别与离子泵、升华泵和真空角阀连接。本专利技术相对于现有技术具有以下有益效果:1、本专利技术的单离子囚禁系统利用标准的半导体微加工工艺实现离子阱的加工和光学微腔的制作,离子阱具有一对射频电极,五对直流控制电极和五对微运动补偿电极,在一维方向上可以精确控制离子与光学微腔的耦合,以及三维方向的精确微运动补偿,实现单个离子的多普勒极限冷却。2、本专利技术的单离子囚禁系统在输出单光子时,通过397nm和866nm冷却激光将单个离子冷却到多普勒极限,关闭397nm激光,打开732nm激光,实现由4S1/2态到4P1/2态的连续泵浦,从而连续输出397nm单光子,在光学微腔与单离子的作用下耦合到光纤输出;在单光源工作时泵浦光(732nm和866nm)波长与信号光(397nm)波长不同,避免了由于泵浦光与信号光频率相同而产生的单光子不纯的问题,同时实现了连续泵浦和光学微腔耦合输出,单光子源具有很高的产生效率。3、本专利技术基于单个囚禁离子的单光子源的单光子输出是利用多模光纤进行耦合输出的,便于与现有的光通信系统连接。4、本专利技术基于单个囚禁离子的单光子源在单光子输出时,囚禁的单个离子被冷却到多普勒极限,消除了由于离子热运动产生的单光子频率展宽的效应,使制备的单光子线宽达到离子能级跃迁的自然线宽,是远距离量子通信的理想单光子源。附图说明图1为本专利技术的真空室的剖面结构示意图。图2为本专利技术的整体结构示意图。图3a为本专利技术的滤波电路板的安装结构示意图。图3b为本专利技术的离子阱芯片的平面示意图。图3c为本专利技术的离子阱芯片的安装结构示意图。图3d为本专利技术的光纤固定槽的结构示意图。图3e为图3d中A部的放大示意图。图4为本专利技术的离子阱芯片的立体结构示意图。图5为本本文档来自技高网
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基于单个囚禁离子的单光子源

【技术保护点】
基于单个囚禁离子的单光子源,包括真空室(8),其特征在于,还包括设置在真空室(8)内的离子阱芯片(9)和钙原子炉(14),离子阱芯片(9)包括参砷硅基片(30)和分别设置在参砷硅基片(30)两面的第一二氧化硅层(31)和第二二氧化硅层(32),参砷硅基片(30)上设置有基片通孔(27),基片通孔(27)的相对的两个侧壁上分别设置有光纤固定槽(20),两个光纤固定槽(20)内分别设置有两个多模光纤(3),两个多模光纤(3)的相对端共光轴,两个多模光纤(3)的相对的端面为凹面,两个多模光纤的凹面的焦点重合,两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔(21),光学微腔(21)的焦点与两个多模光纤的凹面的焦点重合,第一二氧化硅层(31)上位于基片通孔(27)的部分开设有第一二氧化硅层通孔(26),第二二氧化硅层(32)上位于基片通孔(27)的部分开设有第二二氧化硅层通孔(28),第一二氧化硅层(31)和第二二氧化硅层(32)上设置有用于在光学微腔(21)内形成直流控制电场的直流电极(18)、用于在光学微腔(21)内形成射频囚禁电场的射频电极(19)以及用于在光学微腔(21)内形成直流控制补偿电场的微运动补偿电极(25)。...

【技术特征摘要】
1.基于单个囚禁离子的单光子源,包括真空室(8),其特征在于,还包括设置在真空室(8)内的离子阱芯片(9)和钙原子炉(14),离子阱芯片(9)包括参砷硅基片(30)和分别设置在参砷硅基片(30)两面的第一二氧化硅层(31)和第二二氧化硅层(32),参砷硅基片(30)上设置有基片通孔(27),基片通孔(27)的相对的两个侧壁上分别设置有光纤固定槽(20),两个光纤固定槽(20)内分别设置有两个多模光纤(3),两个多模光纤(3)的相对端共光轴,两个多模光纤(3)的相对的端面为凹面,两个多模光纤的凹面的焦点重合,两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔(21),光学微腔(21)的焦点与两个多模光纤的凹面的焦点重合,第一二氧化硅层(31)上位于基片通孔(27)的部分开设有第一二氧化硅层通孔(26),第二二氧化硅层(32)上位于基片通孔(27)的部分开设有第二二氧化硅层通孔(28),第一二氧化硅层(31)和第二二氧化硅层(32)上设置有用于在光学微腔(21)内形成直流控制电场的直流电极(18)、用于在光学微腔(21)内形成射频囚禁电场的射频电极(19)以及用于在光学微腔(21)内形成直流控制补偿电场的微运动补偿电极(25)。2.根据权利要求1所述的基于单个囚禁离子的单光子源,其特征在于,所述的微运动补偿电极(25)和直流电极(18)均为10个,射频电极(19)为2个,5个直流电极(18)设置在第一二氧化硅层通孔(26)的一侧,5个微运动补偿电极(25)和1个射频电极(19)设置在第一二氧化硅层通孔(26)的另一侧,另外5个直流电极(18)设置在第二二氧化硅层通孔(28)的一侧,另外5个微运动补偿电极(25)和另外1个射频电极(19)设置在第二二氧化硅层通孔(28...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈亮何九洲李冀刘志超冯芒
申请(专利权)人:中国科学院武汉物理与数学研究所
类型:发明
国别省市:湖北,42

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