本发明专利技术提供了固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置，涉及量子信息技术领域，该固态关联光子对产生方法包括：将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级四个超精细能级；对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以产生斯托克斯光子；产生斯托克斯光子后对光谱烧孔吸收带依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以产生反斯托克斯光子，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对。子对。子对。
【技术实现步骤摘要】
固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置
[0001]本专利技术涉及量子信息
，特别涉及固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置。
技术介绍
[0002]光子在自由空间和光纤中传输时均会产生损耗，这导致光子信息的长程传输很难实现。想要实现数百公里以上的量子通信，可以采用量子中继方案。实现量子中继的一种可能方案是 Duan
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Lukin
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Cirac
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Zoller (DLCZ) 方案，它主要包含两个核心步骤：第一，让物质系统产生具有量子关联的光子对，该光子对与物质系统具有关联；第二，通过对若干物质系统的关联光子对进行一系列线性光学操作和测量，可以实现子物质系统间的远程纠缠，从而实现量子中继。可见，产生具有量子时间关联的光子对是实现DLCZ的基础步骤。
[0003]稀土离子掺杂晶体具有很长的相干时间和很宽的吸收带宽，是有潜力用于实现长寿命时间多模DLCZ方案的一种物理系统。但是，稀土离子掺杂晶体的跃迁偶极矩强度较弱且非均匀展宽较大，导致直接应用原始的DLCZ方案难以产生高效的量子关联光子对。
[0004]近来，有研究报道，将量子存储的原子频率梳(AFC)方案与DLCZ方案相结合，提出了AFC
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DLCZ方案，成功用稀土离子掺杂晶体中产生了时间多模的量子关联光子对。但对于Eu等跃迁偶极矩强度很弱的掺杂离子，AFC
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DLCZ产生的量子关联光子对的效率和量子关联性仍较低，难以满足应用需求。
专利
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术的实施例提出一种固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
[0006]作为本专利技术的第一方面，提供了一种固态关联光子对产生方法，包括：将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级；第一能级、第二能级、第三能级和第四能级为稀土离子的四个超精细能级，第一能级和第二能级的电子组态相同，第三能级和第四能级的电子组态相同，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第三能级的能量，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第四能级的能量，且第一能级到第三能级的跃迁波长在光学波段；对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以使光谱烧孔吸收带中的稀土离子产生斯托克斯光子，写入脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率；以及产生斯托克斯光子后，对光谱烧孔吸收带依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以使光谱烧孔吸收带的稀土离子产生反斯托克斯光子，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，其中，第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频
率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。
[0007]进一步地，固态关联光子对产生方法，还包括：在写入脉冲光与第一复相π脉冲光之间，在第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光之间，以及在第二复相π脉冲光与读取π脉冲光之间，引入射频脉冲光执行动力学解耦合，以延长反斯托克斯光子的寿命。
[0008]进一步地，光谱烧孔吸收带包括宽度为1MHz量级的吸收线，以及位于吸收线两端的宽度为10 MHz量级的透明带，吸收线的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率。
[0009]进一步地，稀土离子掺杂晶体包括稀土离子和宿主晶体，且稀土离子掺杂晶体中的稀土离子处于宿主晶体的非中心对称位置。
[0010]进一步地，上述固态关联光子对产生方法，还包括：对稀土离子掺杂晶体施加磁场，以阻止光谱烧孔吸收带的稀土离子从第三能级到第二能级跃迁，从而降低噪声。
[0011]进一步地，写入脉冲光与读取π脉冲光以相反方向共线射入稀土离子掺杂晶体，第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光以相同方向共线射入稀土离子掺杂晶体，并且在稀土离子掺杂晶体内，预泵浦脉冲光的传播路径、写入脉冲光的传播路径和第一复相π脉冲光的传播路径传播路径部分重合；斯托克斯光子的探测方向与反斯托克斯光子的探测方向反向共线。
[0012]进一步地，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，包括：斯托克斯光子与反斯托克斯光子的交叉二阶关联度的平方大于斯托克斯光子与反斯托克斯光子的自二阶关联度的乘积。
[0013]进一步地，写入脉冲光的带宽小于或者等于吸收线的宽度。
[0014]进一步地，在得到斯托克光子以及反斯托克斯光子之后，固态关联光子对产生方法还包括：对斯托克光子以及反斯托克斯光子进行滤光。
[0015]作为本专利技术的第二个方面，还提供了一种固态关联光子对产生装置，用于实现上述的固态关联光子对产生方法，包括：激光单元，适用于产生预泵浦脉冲光、写入脉冲光、第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光；光子对产生单元，包括稀土离子掺杂晶体，稀土离子掺杂晶体适用于在预泵浦脉冲光的作用下进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带，光谱烧孔吸收带中的稀土离子在写入脉冲光的作用下产生斯托克斯光子，光谱烧孔吸收带中的稀土离子在第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光的作用下产生反斯托克斯光子；其中，写入脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率；第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。
[0016]晶体中的稀土离子的跃迁存在非均匀展宽，使得稀土离子在发射斯托克斯光子后，其微观电偶极矩的相位以不同速率演化。在对稀土离子依次施加第一复相π脉冲光、第
二复相π脉冲光和读取π脉冲光后，在某一时刻（该时刻由斯托克斯光子的出射时刻和第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光的施加时刻共同决定）各稀土离子的相位又演化到同相，从而形成了一个宏观的电偶极矩，该宏观电偶极矩的偶极辐射即反斯托克斯光子。因此，本专利技术实施例提供的固态关联光子对产生方法能够使稀土离子产生高效的量子关联光子对，且产生的关联光子对的关联性较高。
附图说明
[0017]图1示出了根据本专利技术实施例提供的固态关联光子对产生方法的流程图；图2示出了根据本专利技术实施例提供的固态关联光子对产生装置的方框图；图3示出了根据本专利技术另一实施例提供的固态关联光子对产生装置的方框图；图4示出了根据本专利技术另一实施例提供的稀土离子掺杂晶体的能级结构示意图；图5示出了根据本专利技术实施例提供的各脉冲光的时间序列示意图。
[0018]附图标记说明1
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激光单元；10
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激光器；11
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第一声光调制器；12
‑本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种固态关联光子对产生方法，其特征在于，包括：将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对所述稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；所述稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级；所述第一能级、所述第二能级、所述第三能级和所述第四能级为所述稀土离子的四个超精细能级，所述第一能级和所述第二能级的电子组态相同，所述第三能级和所述第四能级的电子组态相同，所述第一能级的能量和所述第二能级的能量均低于所述第三能级的能量，所述第一能级的能量和所述第二能级的能量均低于所述第四能级的能量，且所述第一能级到所述第三能级的跃迁波长在光学波段；对所述光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以使所述光谱烧孔吸收带中的稀土离子产生斯托克斯光子，所述写入脉冲光的中心频率等于所述光谱烧孔吸收带的稀土离子从所述第一能级到所述第四能级跃迁的共振频率；以及产生所述斯托克斯光子后，对所述光谱烧孔吸收带依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以使所述光谱烧孔吸收带的稀土离子产生反斯托克斯光子，所述斯托克斯光子和所述反斯托克斯光子组成关联光子对，其中，所述第一复相π脉冲光的中心频率和所述第二复相π脉冲光的中心频率均等于所述光谱烧孔吸收带的稀土离子从所述第一能级到所述第三能级跃迁的共振频率，所述读取π脉冲光的中心频率等于所述光谱烧孔吸收带的稀土离子从所述第二能级到所述第四能级跃迁的共振频率。2.根据权利要求1所述的固态关联光子对产生方法，其特征在于，还包括：在所述写入脉冲光与所述第一复相π脉冲光之间，在所述第一复相π脉冲光与所述第二复相π脉冲光之间，以及在所述第二复相π脉冲光与所述读取π脉冲光之间，引入射频脉冲光执行动力学解耦合，以延长所述反斯托克斯光子的寿命。3.根据权利要求1所述的固态关联光子对产生方法，其特征在于，所述光谱烧孔吸收带包括宽度为1 MHz量级的吸收线，以及位于所述吸收线两端的宽度为10 MHz量级的透明带，所述吸收线的中心频率等于所述光谱烧孔吸收带的稀土离子从所述第一能级到所述第四能级跃迁的共振频率。4.根据权利要求1所述的固态关联光子对产生方法，其特征在于，所述稀土离子掺杂晶体包括所述稀土离子和宿主晶体，且所述稀土离子掺杂晶体中的稀土离子处于所述宿主晶体的非中心对称位置。5.根据权利要求4所述的固态关联光子对产生方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：周宗权，陈铎仑，李传锋，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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