本发明专利技术公开了一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给固态量子存储单元，将信号光子输出给轨道角动量分析单元；固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将信号光子送入轨道角动量分析单元中进行分析；轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析。本发明专利技术公开的装置具有易于操作且稳定性高的特点，并且存储维度数及存储模式数更高。
【技术实现步骤摘要】
一种可存储高维量子态的固态量子存储装置
本专利技术涉及量子通信领域，尤其涉及一种可以存储高维量子态的固态量子存储装置。
技术介绍
量子信息科学对保密通信和高性能计算给出了革命性的解决方案。人们可以利用量子密钥分配实现基于量子力学原理的无条件安全密钥分配。量子并行性又使得量子计算可以实现远高于经典计算机的计算能力。光子是量子网络的天然信息载体，然而由于光子在光纤中传输的损耗与传输距离呈指数关系增长，目前量子通信的距离受限于三百公里左右。为克服这一困难，人们提出了基于量子中继的远程通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储技术有效地克服了光子指数衰减的困难，使得五百公里以上的量子通信成为可能。基于量子存储的分布式量子计算网络还可实现不同位置的量子处理器并行运算。所以量子存储器是构建量子网络的核心部件，实用化量子网络的构建依赖于高性能量子存储器的物理实现。量子存储器利用原子能级的共振光学跃迁实现对单光子的捕获及存取。评价量子存储器性能的主要指标包括：存储寿命、保真度、存储效率、存储带宽、存储维度及复用模式数。现在比较成熟的量子存储器包括以下几种体系：1)气态原子系综。气态原子系综是由大量自由空间的孤立原子构成的，这是最早实现单光子量子存储的系统。气态原子系综分为冷原子系综和热原子系综。热原子系综内的原子在空间内自由运动，原子间的碰撞会导致退相干，故存储寿命较短。冷原子系综一般采用激光冷却加磁光阱囚禁的办法，使其相干寿命提高。它的所有原子在超低温下显示完全一致的光学吸收线，故可以达到很高的光学深度以提高光子捕获的效率。目前基于原子系综的存储方案主要有电磁感应致透明、梯度回波存储以及失谐拉曼存储。冷原子存储的主要优点是存储效率较高。但它的所有原子呈现完全一致的光学吸收频率，故系综吸收带宽过窄，导致其存储带宽也受限在10MHz量级。另外，由于自由空间的原子仍然会在空间内运动碰撞，目前冷原子量子存储的寿命为ms量级，进一步提升存储寿命需要用到更加复杂的冷却及囚禁技术，成本过高，不利于实用化。2)单个束缚原子。单个原子体系由于所处的环境非常纯净，无明显的退相干因素，适用于存储单光子。但是自然界中的原子都是以大团原子簇的形式出现的，想要捕获单个原子并稳定的束缚住它是非常困难的。另外，单原子与单光子的耦合非常弱，原子需要放在一个强耦合的光学腔中以增强其捕获单光子的能力。所以实现单原子量子存储器需要构建一个非常昂贵和复杂的系统，且这样的系统没有好的可集成性和可扩展性。单原子的存储效率也较高，但类似于原子系综，它的存储带宽及存储寿命也是不满足实用要求的。考虑到其物理体系只是单一的原子，无法接受多个光子激发，其存储维度数或复用模式数也是最低的。3)稀土离子掺杂晶体。稀土离子的4f→4f能级转移在低温下具有毫秒量级的光学相干时间，其自旋能态具有超过一小时的超长寿命。这使得稀土离子十分适用于光量子态的存储。相对于目前研究已经较成熟的冷原子、热原子，单原子等量子存储系统，稀土掺杂晶体具有明显的优势：离子自旋态相干寿命长，提供长时间的存储；有多种掺杂离子可选，可提供光纤通讯窗口波长；离子系综非均匀展宽很宽(1GHz～100GHz)，可提供宽带存储；杂质离子天然囚禁在宿主晶体中，位置稳定，适合作空间信息存储；所用存储样品商业化，易加工、购买；作为固态体系，易集成和扩展，物化性质稳定。基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器，目前弱光存储时间达1ms，理论存储时间可超过1小时，存储效率达70％，存储保真度达99％，单光子存储的时间复用模式数达100个，存储带宽达5GHz。这些优异的性能表现使得基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器有望在未来量子网络中获得重要的应用。值得关注的是，光具有诸多自由度可以携带信息，包括频率、相位、时间-能量、偏振、轨道角动量等。目前固态量子存储器成功实现对光子频率、相位、时间-能量以及偏振信息的存储。固态量子存储的宽带宽和长寿命使得其具有时间域以及频率域的多模式存储能力，其单光子存储的时间复用模式数已被证明可达100个，频率域的复用模式数达20个。基于量子中继的量子通信的速率与存储器复用模式数为近似线性关系的正相关，故提高存储器的复用模式数至关重要。轨道角动量自由度具有其独特的优势，它描述了光子波前的横向分布，原则上具有不受限制的量子数。轨道角动量自由度可以实现高维度的信息编码并支持存储器在空间域的多模式运行，从而极大的提高通信的比特率。高轨道角动量光子的光斑大小与量子数正相关，所以实现高轨道角动量存储对存储体系的关键要求是存储器的空间尺寸应足够大。这一要求在固态体系中天然地满足了，存储器空间尺寸可达几十毫米，支持上万个轨道角动量模式的存储。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可存储高维量子态的空间复用型固态量子存储装置，其存储维度高且易于实现。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：所述泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备所述固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给所述固态量子存储单元，将所述信号光子输出给所述轨道角动量分析单元；所述固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将所述信号光子送入所述轨道角动量分析单元中进行分析；所述轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析，以实现高维量子态存储及空间域的多模式运行。可选地，所述信号光子可携带轨道角动量信息。可选地，所述分析至少包括初态制备、态变换以及态测量。可选地，所述泵浦激光单元包括：连续激光器、第一声光调制器、电光调制器与第二声光调制器，其中：所述连续激光器用于输出连续可调谐的激光；所述第一声光调制器用于根据所述连续激光器输出的激光产生固态量子存储装置制备所需的泵浦光；所述电光调制用于拓展所述第一声光调制器输出的泵浦光的带宽；所述第二声光调制器用于产生待存储的信号光子。可选地，所述连续激光器为连续钛宝石激光器。可选地，所述第一声光调制器和第二声光调制器为TeO2材料的声光晶体。可选地，所述固态量子存储单元包括：稀土掺杂晶体、透镜组、低温腔及磁场、与斩波器组，其中：所述稀土掺杂晶体用于对于信号光子进行捕获；透镜组用于对于信号光子进行聚焦并使其在稀土掺杂晶体上与泵浦光相结合；所述低温腔及磁场用于对于所述稀土掺杂晶体进行冷却；所述斩波器组用于将泵浦光与信号光子在时间上分离。可选地，所述稀土掺杂晶体为Nd：YVO4晶体。可选地，所述轨道角动量分析单元包括：第一空间光调制器、第二空间光调制器、单模光纤及单光子探测装置，其中：所述第一空间光调制器用于将所述第二声光调制器产生的信号光子的空间模式转换为高维空间的量子叠加态；所述第二空间光调制器用于将所述固态量子存储单元读取出的信号光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式；所述单模光纤用于将所述固态量子存储系统读取出的信号光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；所述单光子探测装置用于对所述固态量子存储系统读取出的信号光子做时间关联的光子计数分析并记录分析结果。可选地，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为纯相位调制器。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，将本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：所述泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备所述固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给所述固态量子存储单元，将所述信号光子输出给所述轨道角动量分析单元；所述固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将所述信号光子送入所述轨道角动量分析单元中进行分析；所述轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析，以实现高维量子态存储及空间域的多模式运行。
【技术特征摘要】
1.一种可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，该装置包括：固态量子存储单元、泵浦激光单元和轨道角动量分析单元，其中：所述泵浦激光单元用于产生待存储的信号光子，制备所述固态量子存储装置所需的泵浦光，并将信号光子和泵浦光输出给所述固态量子存储单元，将所述信号光子输出给所述轨道角动量分析单元；所述固态量子存储单元用于将接收到的信号光子与来自泵浦激光单元的泵浦光相结合，并将所述信号光子送入所述轨道角动量分析单元中进行分析；所述轨道角动量分析单元用于对接收到的信号光子的轨道角动量量子态进行分析，以实现高维量子态存储及空间域的多模式运行。2.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述信号光子可携带轨道角动量信息。3.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述分析至少包括初态制备、态变换以及态测量。4.根据权利要求1所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述泵浦激光单元包括：连续激光器、第一声光调制器、电光调制器与第二声光调制器，其中：所述连续激光器用于输出连续可调谐的激光；所述第一声光调制器用于根据所述连续激光器输出的激光产生固态量子存储装置制备所需的泵浦光；所述电光调制器用于拓展所述第一声光调制器输出的泵浦光的带宽；所述第二声光调制器用于产生待存储的信号光子。5.根据权利要求4所述的可存储高维量子态的固态量子存储装置，其特征在于，所述连续激光器为连续钛宝石激光器。6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：周宗权，李传锋，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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