本发明专利技术公开了一种产生微波双光子辐射装置及其探测微弱磁场的方法，为进一步提升微波光子在量子信息过程中的应用，我们提出一种实现双光子辐射的方法。该方法不同于以往的二能级系统与环境的相互作用，只能吸收或放出一个光子。我们用约瑟夫森结构造三能级系统，使得单光子过程处于大失谐状态，但双光子过程共振，因此两个光子同时被吸收或释放，大大提高辐射效率。联合固有的单光子耗散，将在芯片化的量子信息过程实现和高精度量子精密测量中得到应用。对微弱磁场的探测最小精度可以达到10个高斯,比单光子辐射机制下的测量提高一个数量级。数量级。
【技术实现步骤摘要】
一种产生微波双光子辐射装置及其探测微弱磁场的方法
[0001]本专利技术涉及量子精密测量
，具体涉及一种产生微波双光子辐射装置及其探测微弱磁场的方法。
技术介绍
[0002]微波光子的调控技术在近年来得到了广泛的应用。得益于约瑟芬森结等固态系统微加工技术的进步，器件尺寸逐渐缩小，人们已经能利用这些系统展示和操控一些量子行为。近年来，超导系统已经被认为是最有可能实现量子信息过程的候选系统之一，因此对其相干调控的实现具有重要的意义。
[0003]共面波导谐振器是承载微波光子的载体。在过去的研究中，由于腔与外界环境相互作用导致的微波光子耗散已经实现了其可控性。人们可以通过对环境谱函数的调控实现光子耗散速率的调控。但是，目前实现的调控手段主要面向单光子耗散，即单个微波光子与环境之间相互耦合，一个一个的向环境中耗散。在这种系统中，光子辐射速率相对较低，而且辐射出的光子态大部分为经典的单光子态。
[0004]与单光子辐射相比，双光子辐射过程在量子信息过程和量子精密测量领域的应用更为广泛。在量子信息过程中，双光子辐射将产生非经典光子态，这种非经典态可以用于高保真的远距离量子通信。在量子精密测量方面，磁性的测量在地磁导航、矿产探测方面起着重要的作用。然而，基于单光子的测量方案测量精度将受到限制，我们采用双光子辐射作为测量的物理资源，将提高测量精度，加速量子科技在军事和民用领域的应用化进程。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是为了解决单个微波光子与环境之间相互耦合，一个一个的向环境中耗散，光子辐射速率相对较低的问题，而提供一种产生微波双光子辐射装置及其探测微弱磁场的方法。
[0006]一种产生微波双光子辐射装置，它包括：直流电源、产生工作磁通的电路、三个三层约瑟夫森结构、超导传输线谐振腔、电脑和示波器；约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合；所述的三个三层约瑟夫森结构包括：一个大结和二小结，大结和小结的厚度比为1.4～1.8:1；三个结通过导线串联成闭合回路（如图1所示）；通过matlab对系统的哈密顿量进行数值对角化，得到最低的三个能级 ：基态|g>、亚稳态|f>和激发态|e>；这三个能级的高低顺序为基态频率小于亚稳态频率小于激发态频率。绘制出三个能级随通过环内磁通量，得到最低的三个能级与高能级有较大能极差。此时的磁通称为“工作磁通”。
[0007]基态和亚稳态，以及亚稳态和激发态的能级差，与谐振腔的频率失谐在自身频率的2%；所述的超导传输线谐振腔为共面波导谐振腔；
所述的谐振腔的共振频率为4
‑
6GHz；所述的约瑟夫森结构设在共面波导谐振腔的波腹处，即电场强度分布最强位置；所述的约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合的耦合强度为失谐强度的10%；所述的约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔通过电容耦合；所述的超导传输线谐振腔的衬底为硅片。
[0008]所述的大结厚度1500A，小结厚度1000A，单光子失谐 200MHz, 耦合拉比频率20MHz，约瑟芬森结系统与超导传输线谐振腔耦合时间40ms，退耦和时间为400ms。
[0009]一种产生微波双光子辐射的方法，它包括：1)采用上述的一种产生微波双光子辐射装置，将约瑟芬森结系统冷却到其量子基态；2)利用电脑操控，在约瑟芬森结系统的基态和激发态之间施加Π/4脉冲，使其形成叠加态；3)通过电脑，调节供电电流，使得磁通在工作磁通，此时共面波导谐振腔和约芬森结系统相互耦合；4)再次调节供电电流，使得磁通偏离工作磁通，此时共面波导谐振腔和约瑟芬森结构退耦合，退耦时间为耦合时间的10倍左右；5)重复1）和2）的操作，使约瑟芬森结恢复到耦合前的量子态；6)重复3）
‑
4）的步骤800
‑
1000次，将得到稳定的微波双光子辐射。
[0010]一种探测微弱磁场的方法，它包括：用抗磁性的非金属罩罩住上述的一种产生微波双光子辐射装置，采用一种产生微波双光子辐射的方法，得到稳定的微波双光子辐射的工作磁通，挪开抗磁性的非金属罩；所述的挪开后，再罩住，反复若干次。
[0011]本专利技术提供一种产生微波双光子辐射装置及其探测微弱磁场的方法，为进一步提升微波光子在量子信息过程中的应用，我们提出一种实现双光子辐射的方法。该方法不同于以往的二能级系统与环境的相互作用，只能吸收或放出一个光子。我们用约瑟夫森结构造三能级系统，使得单光子过程处于大失谐状态，但双光子过程共振，因此两个光子同时被吸收或释放，大大提高辐射效率。联合固有的单光子耗散，将在芯片化的量子信息过程实现和高精度量子精密测量中得到应用。对微弱磁场的探测最小精度可以达到10个高斯,比单光子辐射机制下的测量提高一个数量级。
附图说明
[0012]图1产生微波双光子耗散的装置约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合模型图；图2产生微波双光子辐射装置示意图；图3为微波双光子辐射的能级原理图。其中 为共面波导谐振腔的本征频率。和分别为约瑟夫森结与微波光子的单光子失谐。
[0013]图4：本专利技术微波双光子辐射方案（a）与以往的单光子辐射方案（b）原理对比图。
具体实施方式
[0014]实施例1一种产生微波双光子辐射装置参照图1、2所示（其中图1为模型图，图2为装置示意图），一种产生微波双光子辐射装置，它包括：直流电源、产生工作磁通的电路、三个三层约瑟夫森结构、开关、超导传输线谐振腔、电脑和示波器；约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合；所述的三个三层约瑟夫森结构包括：一个大结和二小结，大结和小结的厚度比为1.4～1.8:1；三个结通过导线串联成闭合回路；通过matlab对系统的哈密顿量进行数值对角化，得到最低的三个能级 ：基态|g>、亚稳态|f>和激发态|e>；这三个能级的高低顺序为基态频率小于亚稳态频率小于激发态频率。绘制出三个能级随通过环内磁通量（如图1所示），得到最低的三个能级与高能级有较大能极差。此时的磁通称为“工作磁通”。
[0015]基态和亚稳态，以及亚稳态和激发态的能级差，与谐振腔的频率失谐在自身频率的2（1.8～2.1）%；所述的超导传输线谐振腔为共面波导谐振腔；所述的谐振腔的共振频率为4
‑
6GHz；所述的约瑟夫森结构设在共面波导谐振腔的波腹处，即电场强度分布最强位置；所述的约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合的耦合强度为失谐的10（9
‑
11）%；所述的约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔通过电容耦合；所述的超导传输线谐振腔的衬底为硅片。
[0016]所述的大结厚度1500A，小结厚度1000A，单光子失谐 200MHz, 耦合拉比频率20MHz。
[0017]操作和原理如下：1、一段超导传输线，形成共面波导谐振腔，如图2弯曲部分。两侧的两个三角形为两个边界。该谐振腔的共振频率可以由输出谱方法进行测量，一般情况下，在4
‑
6GHz之间。此外，根据腔的长度和共振频率，可本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种产生微波双光子辐射装置，它包括：直流电源、产生工作磁通的电路、三个三层约瑟夫森结构、超导传输线谐振腔、电脑和示波器；约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合；所述的三个三层约瑟夫森结构包括：一个大结和二小结，大结和小结的厚度比为1.4～1.8:1；三个结通过导线串联成闭合回路；通过matlab对系统的哈密顿量进行数值对角化，得到最低的三个能级 ：基态|g>、亚稳态|f>和激发态|e>；这三个能级的高低顺序为基态频率小于亚稳态频率小于激发态频率；绘制出三个能级随通过环内磁通量，得到最低的三个能级与高能级有较大能极差；此时的磁通称为“工作磁通”。2.根据权利要求1所述的一种产生微波双光子辐射装置，其特征在于：基态和亚稳态，以及亚稳态和激发态的能级差，与谐振腔的频率失谐在自身频率的1.8
‑
2.2%； 所述的超导传输线谐振腔为共面波导谐振腔。3.根据权利要求2所述的一种产生微波双光子辐射装置，其特征在于：所述的约瑟夫森结构设在共面波导谐振腔的波腹处。4.根据权利要求3所述的一种产生微波双光子辐射装置，其特征在于：所述的约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔耦合的耦合强度为失谐强度的9
‑
11%。5.根据权利要求4所述的一种产生微波双光子辐射装置，其特征在于：所述的约瑟夫森结构与超导传输线谐振腔通过电容耦合。6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：王治海，田甜，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。