量子存储装置及方法

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1.本公开涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子存储装置及方法。

背景技术：

2.在光量子通讯领域，由于光子在自由空间或者是光纤中进行传输会产生不同程度的损耗，难以实现超长距离的量子通讯。要想实现百公里以上量子通讯，量子中继是可行的方案之一，而量子存储器正是量子中继器的核心部件之一。可集成化在拓展通道数、减小存储器体积和设备规模，结合集成化的光学系统，例如量子芯片等上具有十分重大的应用前景和发展前途。偏振编码是光子在量子信息领域编码的重要方式之一，而现有的量子存储器由于晶体能级吸收的限制一般只能支持一种偏振态的存储。

技术实现要素：

3.本公开的主要目的在于提供一种量子存储装置及方法，可支持任意偏振态的存储。
4.为实现上述目的，本公开实施例第一方面提供一种量子存储装置，包括：
5.光发生单元、电发生单元、可集成的存储单元和检偏单元；
6.所述光发生单元，用于产生所述可集成的存储单元所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子，并将所述泵浦光和所述偏振比特光子输出给所述可集成的存储单元；
7.所述电发生单元，用于产生所述可集成的存储单元所需的电学脉冲信号，并将所述电学脉冲信号输出给所述可集成的存储单元；
8.所述可集成的存储单元，制备于稀土离子掺杂晶体上且支持任意偏振态的传输，用于依据指定存储方案，利用所述泵浦光制备特定吸收带，并根据所述电学脉冲信号实现所述偏振比特光子的按需式读取；
9.所述检偏单元，用于检测被存储的偏振比特光子产生的光子回波的偏振态。
10.在一实施例中，所述光发生单元包括：
11.激光器、第一声光调制器、第二声光调制器和偏振态制备单元；
12.所述激光器，用于产生线宽在指定范围内的激光；
13.所述第一声光调制器，用于根据所述激光调制出所述可集成的存储单元所需的泵浦光，并将所述泵浦光输出给所述可集成的存储单元；
14.所述第二声光调制器，用于根据所述激光调制出待存储的信号光子，并将所述信号光子输出给所述偏振态制备单元；
15.所述偏振态制备单元，用于将所述信号光子进行偏振比特编码，得到所述待存储的偏振比特光子，并将所述偏振比特光子输出给所述可集成的存储单元。
16.在一实施例中，所述可集成的存储单元包括：
17.电学波导和光学波导；
18.所述光学波导，用于束缚所述偏振比特光子；
19.所述电学波导，用于将所述电学脉冲信号施加在位于所述光学波导中的稀土离子上，以产生局域的所述电学脉冲信号。
20.在一实施例中，当所述指定存储方案为电控的原子频率梳方案时，所述特定吸收带为频率梳结构的吸收带，所述电学脉冲信号为脉冲电场信号；
21.当所述指定存储方案为自旋波的原子频率梳方案时，所述特定吸收带为频率梳结构的吸收带，所述电学脉冲信号为射频磁场信号；
22.当所述指定存储方案为无噪声光子回波方案时，所述特定吸收带为孤立结构的吸收带，所述电学脉冲信号为射频磁场信号。
23.在一实施例中，所述检偏单元包括：
24.特定波长的楔形片、特定波长的四分之一波片、特定波长的半波片、特定波长的偏振分束晶体。
25.所述特定波长的楔形片，用于补偿晶体双折射和存储过程中引入的额外相位；
26.所述特定波长的半波片和所述特定波长的四分之一波片，共同用于投影被存储光子产生的光子回波的偏振态至水平偏振态；
27.所述偏振分束晶体，用于检偏，过滤出回波光子中水平偏振态的分量，并最终入射到单光子探测器中探测。
28.在一实施例中，所述稀土离子掺杂晶体的光跃迁对于两个正交的偏振分量具有一致的吸收深度。
29.在一实施例中，所述光学波导的性能与偏振无关，支持任意偏振态传输。
30.在一实施例中，所述光学波导设置在距离所述稀土离子掺杂晶体表面的20微米范围内；
31.所述电学波导设置在所述稀土离子掺杂晶体的表面。
32.在一实施例中，所述稀土离子掺杂晶体为eu：yso晶体，所述eu：yso晶体中替位2上的eu离子的7f
0-5
d0能级跃迁满足两个正交的偏振分量具有一致的吸收深度的条件。
33.在一实施例中，所述稀土离子掺杂晶体放置在3k左右的低温环境下，使得其光学跃迁应具有长量子相干寿命；进一步结合强磁场工作环境，使得其自旋跃迁具有长量子相干寿命。
34.本公开实施例第二方面提供一种量子存储装置的存储方法，其特征在于，所述存储装置包括光发生单元、电发生单元、可集成的存储单元和检偏单元，所述可集成的存储单元制备于稀土离子掺杂晶体上，所述方法包括：
35.利用所述光发生单元产生所述可集成的存储单元所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子，并将所述泵浦光和所述偏振比特光子输出给所述可集成的存储单元；
36.利用所述电发生单元产生所述可集成的存储单元所需的电学脉冲信号，并将所述电学脉冲信号输出给所述可集成的存储单元；
37.利用所述可集成的存储单元依据指定存储方案，根据所述泵浦光制备特定吸收带，并根据所述电学脉冲信号实现所述偏振比特光子的按需式读取；
38.利用所述检偏单元检测被存储的偏振比特光子产生的光子回波的偏振态。
39.在一实施例中，当所述指定存储方案为电控的原子频率梳方案时，所述特定吸收带为频率梳结构的吸收带，所述电学脉冲信号为脉冲电场信号；
40.当所述指定存储方案为自旋波的原子频率梳方案时，所述特定吸收带为频率梳结构的吸收带，所述电学脉冲信号为射频磁场信号；
41.当所述指定存储方案为无噪声光子回波方案时，所述特定吸收带为孤立结构的吸收带，所述电学脉冲信号为射频磁场信号。
42.从上述本公开实施例可知，本公开提供的量子存储装置及方法，采用按需式读取的量子存储方法，可以实现偏振比特光子的存储，可用于基于偏振比特光子的量子中继等长距离量子通信方案，具有可大规模集成，高信噪比及易于实现等优点。
附图说明
43.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本公开一实施例提供的一量子存储装置的结构示意图；
45.图2为本公开一实施例提供的一量子存储装置的结构示意图；
46.图3为本公开一实施例提供的量子存储装置的存储方法的流程示意图；
47.图4本公开一实施例提供的基于电控的原子频率梳方案的存储时间序列示意图；
48.图5本公开一实施例提供的基于自旋波的原子频率梳方案的存储时间序列示意图。
具体实施方式
49.为使得本公开的公开目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
50.请参阅图1，图1为本公开一实施例提供的量子存储装置的结构示意图，该装置包括：
51.光发生单元12、电发生单元13、可集成的存储单元11和检偏单元14；
52.光发生单元12，用于产生可集成的存储单元11所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子1521，并将泵浦光和偏振比特光子1521输出给可集成的存储单元11；
53.电发生单元13，用于产生可集成的存储单元11所需的电学脉冲信号，并将电学脉冲信号输出给可集成的存储单元11；
54.可集成的存储单元11，制备于稀土离子掺杂晶体111上且支持任意偏振态的传输，用于依据指定存储方案，利用泵浦光制备特定吸收带，并根据电学脉冲信号实现偏振比特光子1521的按需式读取；
55.检偏单元14，用于检测被存储的偏振比特光子1521产生的光子回波1524的偏振态。
56.在本公开中，指定的存储方案应支持按需式的量子比特存储。
57.在本公开一实施例中，如图2所示，光发生单元12包括激光器121、第一声光调制器
122、第二声光调制器123和偏振态制备单元124；
58.激光器121，用于产生线宽在指定范围内的激光；
59.第一声光调制器122，用于根据激光调制出可集成的存储单元11所需的泵浦光，并将泵浦光输出给可集成的存储单元11；
60.第二声光调制器123，用于根据激光调制出待存储的信号光子，并将信号光子输出给偏振态制备单元124；
61.偏振态制备单元124，用于将信号光子进行偏振比特编码，得到待存储的偏振比特光子1521，并将偏振比特光子1521输出给可集成的存储单元11。
62.在本公开中，线宽在指定范围可以是线宽在10khz以下。
63.在本公开一示例中，第一声光调制器122可以选取参数为200mhz中心频率的声光调制器。第二声光调制器123选取参数为200mhz中心频率的声光调制器。其中，第二声光调制器123调制出的偏振比特光子1521，其光场频率为200mhz中心频率。
64.在本公开一实施例中，偏振态制备单元124包括偏振分束晶体、半波片、四分之一波片。偏振分束晶体用于起偏，使单一偏振光通过，标定光子处于水平偏振态(h态)。半波片和四分之一波片，用于编码输入光子的量子态。
65.其中，半波片0度，四分之一波片0度，为h态；半波片45度，四分之一波片0度，为竖直偏振态(v态)；半波片22.5度，四分之一波片45度，为h+v态；半波片22.5度，四分之一波片0度，为h+iv态。
66.在本公开一实施例中，电发生单元13可以是任意波形发生器或矢量微波信号源，用于产生可集成的存储单元11需要的电学脉冲信号。
67.在本公开一实施例中，如图2所示，可集成的存储单元11包括电学波导112和光学波导113，光学波导113用于束缚偏振比特光子1521，电学波导112用于将电学脉冲信号施加在位于光学波导113中的稀土离子上，以产生局域的电学脉冲信号。
68.在本公开一实施例中，稀土离子掺杂晶体111的光跃迁对于两个正交的偏振分量具有一致的吸收深度。该一致可以为基本一致，稀土离子掺杂晶体111的一个选择是eu：yso晶体，其替位2的eu离子在580nm跃迁吸收满足要求。
69.在本公开一实施例中，光学波导113设置在距离稀土离子掺杂晶体111表面的20微米范围内；电学波导112设置在稀土离子掺杂晶体111的表面。
70.在本公开一示例中，光学波导113可以选择飞秒激光直写的iii型波导，支持任意偏振态的光子传输。电学波导112可以是由两条平行的金属导带构成，由紫外光刻和电子束蒸发制备在稀土离子掺杂晶体111表面。电学波导112与光学波导113的间距选择在10um-100um范围。
71.在本公开中，可集成的存储单元11在3k左右的低温环境下，使得光学跃迁应具有长量子相干寿命。进一步结合强磁场的工作环境，使得其自旋跃迁也具有长量子相干寿命。具体的，可以将可集成的存储单元11放置于低温腔内工作。其中，低温腔设定工作温度也即上述预设温度为3k，可采用无液氦压缩机制冷。
72.在本公开中，以稀土离子掺杂晶体111采用浓度为0.1％的同位素提纯
151
eu
3+
掺杂的yso晶体，长度12mm为例进行说明。存储所使用的稀土离子掺杂晶体111利用的是
151
eu：yso晶体中替位2上的eu离子的7f
0-5
d0能级跃迁，其对于两个正交的偏振分量具有差别不大
的吸收深度。存储控制过程，参阅图3，第一声光调制器122将激光调制为存储单元11所需的第一扫频脉冲1525实现能级初始化和第二扫频脉冲1526制备原子频率梳。使用第二声光调制器123调制出信号光子并输出给偏振态制备单元124，经过偏振态制备单元124编码为偏振比特光子1521输出给可集成的存储单元11。原子频率梳能够在预设的时间t发射光子回波1524，使用电发生单元13产生第一电学脉冲1522和第二电学脉冲1523，其中第一电学脉冲1522在t/2的时间射入，第二电学脉冲1523入射时间在3t/2，5t/2，...，相应的信号光子1524的出射时间在2t，3t，...，从而实现按需式读取。最终入射到检偏单元14中。
73.在本公开一实施例中，检偏单元14包括：特定波长的楔形片、特定波长的四分之一波片、特定波长的半波片、特定波长的偏振分束晶体。
74.特定波长的楔形片，用于补偿晶体双折射和存储过程中引入的额外相位。
75.特定波长的半波片和特定波长的四分之一波片，共同用于投影被存储光子产生的光子回波1524的偏振态至h态。
76.偏振分束晶体，用于检偏，过滤出回波光子中h态的分量，并最终入射到单光子探测器中探测。
77.其中，半波片0度，四分之一波片0度，将h态的回波光子投影至h态；半波片45度，四分之一波片0度，将v态的回波光子投影至h态；半波片22.5度，四分之一波片45度，将h+v态的回波光子投影至h态；半波片22.5度，四分之一波片0度，将h+iv态的回波光子投影至h态。
78.在本公开一实施例中，信号光子的偏振态h对齐yso晶体的b轴向，偏振态v对齐yso晶体的d1轴向。这两个轴向晶体不会发生双折射现象。泵浦光的偏振态原则上没有要求，此处对齐yso晶体的d1轴向。
79.在本公开一实施例中，当指定存储方案为电控的原子频率梳方案时，特定吸收带为频率梳结构的吸收带，电学脉冲信号为脉冲电场信号；当指定存储方案为自旋波的原子频率梳方案时，特定吸收带为频率梳结构的吸收带，电学脉冲信号为射频磁场信号；当指定存储方案为无噪声光子回波方案时，特定吸收带为孤立结构的吸收带，电学脉冲信号为射频磁场信号。
80.请参阅图3，图3为本公开一实施例提供的量子存储装置的存储方法的流程示意图，该量子存储装置包括光发生单元12、电发生单元13、可集成的存储单元11和检偏单元14，可集成的存储单元11制备于稀土离子掺杂晶体111上，具体可以是图1所示的量子存储装置，该方法包括：
81.s301、利用光发生单元12产生可集成的存储单元11所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子1521，并将泵浦光和偏振比特光子1521输出给可集成的存储单元11；
82.s302、利用电发生单元13产生可集成的存储单元11所需的电学脉冲信号，并将电学脉冲信号输出给可集成的存储单元11；
83.s303、利用可集成的存储单元11依据指定存储方案，根据泵浦光制备特定吸收带，并根据电学脉冲信号实现偏振比特光子1521的按需式读取；
84.s304、利用检偏单元14检测被存储的偏振比特光子1521产生的光子回波1524的偏振态。
85.在本公开一实施例中，当指定存储方案为电控的原子频率梳方案时，特定吸收带为频率梳结构的吸收带，电学脉冲信号为脉冲电场信号；当指定存储方案为自旋波的原子
频率梳方案时，特定吸收带为频率梳结构的吸收带，电学脉冲信号为射频磁场信号；当指定存储方案为无噪声光子回波方案时，特定吸收带为孤立结构的吸收带，电学脉冲信号为射频磁场信号。
86.当选择电控的原子频率梳方案时，存储时间序列如图4，具体操作步骤如下：光发生单元12产生的泵浦1525在可集成的存储单元11内制备原子频率梳；光发生单元12产生信号光子1521输入可集成的存储单元11；电发生单元13产生第一脉冲电场1522输入可集成的存储单元11；电发生单元13产生第二脉冲电场1523输入可集成的存储单元11，第二脉冲电场输入1523要求与第一脉冲电场输入1522是相同持续时间，相反方向的脉冲；检偏单元14读出光子偏振态1524。
87.当选择自旋波的原子频率梳方案时，存储时间序列如图5，具体操作步骤如下：光发生单元12产生泵浦光1626在所集成的存储单元11制备原子频率梳；光发生单元12产生信号光子1621输入可集成的存储单元11；光发生单元12产生控制光脉冲1622输入可集成的存储单元11，实现自旋波转移；电发生单元13产生系列射频磁场脉冲1623输入可集成的存储单元11，实现动力学解耦功能；光发生单元产生12控制光脉冲1624输入可集成的存储单元11，把自旋波激发转移为光学激发；检偏单元14读出光子偏振态1625。
88.当选择无噪声光子回波存储方案，其基本思路与自旋波的原子频率梳方案一致，即当光子被存储在下能级自旋态上时，执行动力学解耦合序列，随后读取为光激发并发射。具体操作步骤如下：光发生单元12产生泵浦光入射可集成的存储单元11并制备孤立吸收带；光发生单元12产生信号光子输入可集成的存储单元11；光发生单元12产生系列控制光脉冲输入可集成的存储单元11，基于无噪声光子回波存储方案实现自旋波存储；电发生单元13产生系列射频磁场脉冲输入可集成的存储单元11，实现动力学解耦功能；光发生单元12产生系列控制光脉冲输入可集成的存储单元11，把自旋波激发转移为光学激发；检偏单元14读出光子偏振态1625。
89.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
90.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
91.以上为对本发明所提供的一种量子存储装置及方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种量子存储装置，其特征在于，包括：光发生单元、电发生单元、可集成的存储单元和检偏单元；所述光发生单元，用于产生所述可集成的存储单元所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子，并将所述泵浦光和所述偏振比特光子输出给所述可集成的存储单元；所述电发生单元，用于产生所述可集成的存储单元所需的电学脉冲信号，并将所述电学脉冲信号输出给所述可集成的存储单元；所述可集成的存储单元，制备于稀土离子掺杂晶体上且支持任意偏振态的传输，用于依据指定存储方案，利用所述泵浦光制备特定吸收带，并根据所述电学脉冲信号实现所述偏振比特光子的按需式读取；所述检偏单元，用于检测被存储的偏振比特光子产生的光子回波的偏振态。2.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述光发生单元包括：激光器、第一声光调制器、第二声光调制器和偏振态制备单元；所述激光器，用于产生线宽在指定范围内的激光；所述第一声光调制器，用于根据所述激光调制出所述可集成的存储单元所需的泵浦光，并将所述泵浦光输出给所述可集成的存储单元；所述第二声光调制器，用于根据所述激光调制出待存储的信号光子，并将所述信号光子输出给所述偏振态制备单元；所述偏振态制备单元，用于将所述信号光子进行偏振比特编码，得到所述待存储的偏振比特光子，并将所述偏振比特光子输出给所述可集成的存储单元。3.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述可集成的存储单元包括：电学波导和光学波导；所述光学波导，用于束缚所述偏振比特光子；所述电学波导，用于将所述电学脉冲信号施加在位于所述光学波导中的稀土离子上，以产生局域的所述电学脉冲信号。4.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，当所述指定存储方案为电控的原子频率梳方案时，所述特定吸收带为频率梳结构的吸收带，所述电学脉冲信号为脉冲电场信号；当所述指定存储方案为自旋波的原子频率梳方案时，所述特定吸收带为频率梳结构的吸收带，所述电学脉冲信号为射频磁场信号；当所述指定存储方案为无噪声光子回波方案时，所述特定吸收带为孤立结构的吸收带，所述电学脉冲信号为射频磁场信号。5.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述检偏单元包括：特定波长的楔形片、特定波长的四分之一波片、特定波长的半波片、特定波长的偏振分束晶体。所述特定波长的楔形片，用于补偿晶体双折射和存储过程中引入的额外相位；所述特定波长的半波片和所述特定波长的四分之一波片，共同用于投影被存储光子产生的光子回波的偏振态至水平偏振态；所述偏振分束晶体，用于检偏，过滤出回波光子中水平偏振态的分量，并最终入射到单光子探测器中探测。
6.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述稀土离子掺杂晶体的光跃迁对于两个正交的偏振分量具有一致的吸收深度。7.根据权利要求3所述的量子存储装置，其特征在于，所述光学波导的性能与偏振无关，支持任意偏振态传输。8.根据权利要求3或7所述的量子存储装置，其特征在于，所述光学波导设置在距离所述稀土离子掺杂晶体表面的20微米范围内；所述电学波导设置在所述稀土离子掺杂晶体的表面。9.根据权利要求1所述的量子存储装置，其特征在于，所述稀土离子掺杂晶体为eu：yso晶体，所述eu：yso晶体中替位2上的eu离子的7f
0-5
d0能级跃迁满足两个正交的偏振分量具有一致的吸收深度的条件。10.一种量子存储装置的存储方法，其特征在于，所述存储装置包括光发生单元、电发生单元、可集成的存储单元和检偏单元，所述可集成的存储单元制备于稀土离子掺杂晶体上，所述方法包括：利用所述光发生单元产生所述可集成的存储单元所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子，并将所述泵浦光和所述偏振比特光子输出给所述可集成的存储单元；利用所述电发生单元产生所述可集成的存储单元所需的电学脉冲信号，并将所述电学脉冲信号输出给所述可集成的存储单元；利用所述可集成的存储单元依据指定存储方案，根据所述泵浦光制备特定吸收带，并根据所述电学脉冲信号实现所述偏振比特光子的按需式读取；利用所述检偏单元检测被存储的偏振比特光子产生的光子回波的偏振态。

技术总结

本公开提供了一种量子存储装置，应用于量子信息技术领域，包括：光发生单元，用于产生可集成的存储单元所需的泵浦光，以及，制备待存储的偏振比特光子，并将泵浦光和偏振比特光子输出给可集成的存储单元；电发生单元，用于产生可集成的存储单元所需的电学脉冲信号，并将电学脉冲信号输出给可集成的存储单元；可集成的存储单元，制备于稀土离子掺杂晶体上，用于依据指定存储方案，利用泵浦光制备特定吸收带，并根据电学脉冲信号实现偏振比特光子的按需式读取；检偏单元，用于检测被存储的偏振比特光子产生的光子回波的偏振态。特光子产生的光子回波的偏振态。特光子产生的光子回波的偏振态。