一种片上光-原子纠缠界面装置与方法

本发明属于量子信息领域，具体涉及一种片上光-原子纠缠界面装置与方法。

背景技术：

1、量子通道是构建量子网络的重要基础设施，其涵盖了量子光源、量子存储、量子纠缠分发和量子纠缠交换等内容，构建高效实用的量子通道对推动量子信息技术的产业化发展具有重要意义。为了实现远距离量子节点间的量子互联，通常使用光子作为量子信息的载源，并通过光纤或者自由空间进行光量子态的传递。而光子在直接传输的过程中，信号衰减和退相干问题会导致其传输效率随距离呈指数下降，从而导致了传输距离受到极大的限制，因此，如何扩展量子通信的距离成为一大难题。针对此问题，科学家们提出了量子中继器的方案，将远距离的量子网络分解为若干基础链路，通过中继节点间的纠缠交换建立相邻基础链路之间的连接，从而实现远距离的量子节点之间的通信，是已得到理论分析论证的有效技术途径之一。

2、量子存储器是保证不同基础链路之间能够同时建立起纠缠的核心器件，对于实现量子中继器至关重要。其物理基础是利用光与原子之间的相互作用实现光量子态的存储，建立光-原子纠缠界面。现阶段，用于发展光-原子纠缠界面的常用物理体系包括：单原子、原子系综、稀土掺杂固态体系、离子阱、nv/siv色心、量子点、光机械振子等。稀土掺杂固态体系由于其大非均匀展宽、丰富的工作波长以及大多模容量等优势成为量子存储器的优秀候选者，然而，目前基于稀土掺杂固态体系的光-原子纠缠界面，几乎均采用分立元器件，限制了制备光-原子纠缠界面的便捷性，不利于光-原子纠缠界面的小型化与集成化。因此，量子信息领域目前亟需开发小型化、集成化、片上的光-原子纠缠界面装置。

技术实现思路

1、本发明所需要解决的技术问题是针对现有技术存在的需求，提供一种片上光-原子纠缠界面装置与方法。

2、本发明通过非线性波导产生量子纠缠光子对，以掺铒光波导作为量子存储介质，通过频率啁啾技术在掺铒光波导中制备原子频率梳用于纠缠光子对的存储，结合全光纤封装耦合技术将光纤准直器和掺铒光波导芯片封装在同一块衬底材料上，能够实现光与波导的高效率耦合，实现了小型化、集成化、实用化的片上光-原子纠缠界面装置与方法。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、一种片上光-原子纠缠界面装置，包括依次相连接的第一激光源1、光强度调制器2、光放大器3、第一可调光衰减器4、第一偏振控制器5、非线性波导6、第一光滤波器7、第二光滤波器8，第一光滤波器7、第三光滤波器9、第四光滤波器10、第二偏振控制器11依次连接，第二偏振控制器11的输出端与片上掺铒光波导模块18中第二光纤准直器25一端的光纤尾纤相连接，第二激光源12、光相位调制器13、第二可调光衰减器14、光开关15、光环形器16、第三偏振控制器17、片上掺铒光波导模块18依次相连接，所述光环形器16的第一端口连接光开关15的第一输出端，光环形器16的第二端口连接第三偏振控制器17的一端；

5、所述片上掺铒光波导模块18由固定于衬底19之上的通过光纤依次连接的第一光纤准直器20、掺铒光波导芯片22、第二光纤准直器25构成，掺铒光波导芯片22由基体材料23和刻蚀在基体材料23内部的掺铒光波导24构成；

6、所述第一激光源1、第二激光源12用于提供连续、稳定的泵浦光；

7、所述第一可调光衰减器4、第二可调光衰减器13为光纤可调衰减器，用于调节泵浦光的功率；

8、所述非线性波导6用于被激光泵浦产生量子纠缠光子对；

9、所述第一光滤波器7、第二光滤波器8用于分离闲频光子，所述第三光滤波器9、第四光滤波器10用于分离待存储信号光子；

10、所述光相位调制器13用于对所述第二激光源12输出的泵浦光进行移频；

11、所述光开关15用于选择是否让原子频率梳制备泵浦光进入片上掺铒光波导模块18，并控制泵浦时间；

12、所述掺铒光波导24为量子存储器的存储介质，输入其中的泵浦光与波导中的铒离子系综发生相互作用，在掺铒光波导中制备出原子频率梳，用于存储信号光子。

13、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

14、作为优选方式，所述第一激光源1、第二激光源12为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或者染料激光器。

15、作为优选方式，所述光强度调制器2为基于电光效应的强度调制器。

16、作为优选方式，所述第一偏振控制器5、第二偏振控制器11、第三偏振控制器17为平板偏振控制器、立方体偏振控制器或光纤偏振控制器。

17、作为优选方式，所述光相位调制器13为基于磷酸二氢钾晶体的相位调制器或基于铌酸锂晶体的相位调制器。

18、作为优选方式，所述非线性波导6为直波导结构或波导耦合微环谐振腔结构；

19、或者所述非线性波导6为周期极化的铌酸锂波导、周期极化的磷酸氧钛钾波导、周期极化的偏硼酸钡波导中的任意一种。

20、作为优选方式，所述第一光滤波器7、第二光滤波器8、第三光滤波器9、第四光滤波器10为阵列波导光栅、密集波分复用器、可调带通滤波器或光纤布拉格光栅滤波器。

21、作为优选方式，所述非线性波导6、掺铒光波导24采用半导体工艺加工而成，所述半导体工艺由激光直写、质子交换、精密机械加工、紫外光刻、电子束曝光和等离子刻蚀中至少一种组成。

22、作为优选方式，所述掺铒光波导24为掺铒铌酸锂波导、掺铒钒酸钇或掺铒钒酸钆波导。

23、本发明的第二个目的是提供一种片上光-原子纠缠界面的方法，使用所述的一种片上光-原子纠缠界面装置实现，在片上掺铒光波导模块18中制备原子频率梳，对量子纠缠光子对中的信号光子进行存储，进而建立闲频光子-片上量子存储器的量子纠缠，形成片上光-原子纠缠界面。

24、本发明的有益效果是：

25、本发明提供了一种片上光-原子纠缠界面装置与方法，通过泵浦激光泵浦非线性波导产生量子纠缠光子对，通过光滤波器将信号光子与闲频光子分离出来，信号光子被传输至片上掺铒光波导模块；通过频率啁啾技术制备泵浦光并输入片上掺铒光波导模块中，利用光谱烧孔原理在掺铒光波导中制备出原子频率梳；进入掺铒光波导的待存储信号光子能够与原子频率梳发生相干相互作用，从而被存储在掺铒光波导之中，建立闲频光子与量子存储器的量子纠缠，形成片上光子纠缠界面。

26、本发明提出的片上光-原子纠缠界面装置与方法利用全光纤封装耦合技术将光纤准直器、掺铒光波导芯片封装为片上器件，有效减小了光-原子纠缠界面装置的体积，具有小型化和集成化的优势；本发明采用基于原子频率梳的量子存储协议，具有大带宽、多频道等优势；同时本发明各组件均可来自成熟的光电器件，有利于系统组装制备和实用化发展，是构建基于集成化器件的多功能量子网络的重要基础。

技术特征：

1.一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，包括依次相连接的第一激光源(1)、光强度调制器(2)、光放大器(3)、第一可调光衰减器(4)、第一偏振控制器(5)、非线性波导(6)、第一光滤波器(7)、第二光滤波器(8)，第一光滤波器(7)、第三光滤波器(9)、第四光滤波器(10)、第二偏振控制器(11)依次连接，第二偏振控制器(11)的输出端与片上掺铒光波导模块(18)中第二光纤准直器(25)一端的光纤尾纤相连接，第二激光源(12)、光相位调制器(13)、第二可调光衰减器(14)、光开关(15)、光环形器(16)、第三偏振控制器(17)、片上掺铒光波导模块(18)依次相连接，所述光环形器(16)的第一端口连接光开关(15)的第一输出端，光环形器(16)的第二端口连接第三偏振控制器(17)的一端；

2.根据权利要求1所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述第一激光源(1)、第二激光源(12)为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或者染料激光器。

3.根据权利要求1所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述光强度调制器(2)为基于电光效应的强度调制器。

4.根据权利要求1所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述第一偏振控制器(5)、第二偏振控制器(11)、第三偏振控制器(17)为平板偏振控制器、立方体偏振控制器或光纤偏振控制器。

5.根据权利要求1所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述光相位调制器(13)为基于磷酸二氢钾晶体的相位调制器或基于铌酸锂晶体的相位调制器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述非线性波导(6)为直波导结构或波导耦合微环谐振腔结构；

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述第一光滤波器(7)、第二光滤波器(8)、第三光滤波器(9)、第四光滤波器(10)为阵列波导光栅、密集波分复用器、可调带通滤波器或光纤布拉格光栅滤波器。

8.根据权利要求1至5任一项所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述非线性波导(6)、掺铒光波导(24)采用半导体工艺加工而成，所述半导体工艺由激光直写、质子交换、精密机械加工、紫外光刻、电子束曝光和等离子刻蚀中至少一种组成。

9.根据权利要求1至5任一项所述的一种片上光-原子纠缠界面装置，其特征在于，所述掺铒光波导(24)为掺铒铌酸锂波导、掺铒钒酸钇或掺铒钒酸钆波导。

10.一种片上光-原子纠缠界面的方法，使用权利要求1至9任一项所述的一种片上光-原子纠缠界面装置实现，其特征在于，在片上掺铒光波导模块(18)中制备原子频率梳，对量子纠缠光子对中的信号光子进行存储，进而建立闲频光子-片上量子存储器的量子纠缠，形成片上光-原子纠缠界面。

技术总结本发明提供一种片上光‑原子纠缠界面装置与方法，属于量子信息科学技术领域。本发明利用脉冲激光泵浦非线性波导产生量子纠缠光子对，通过光滤波器将信号光子与闲频光子分离出来，信号光子被传输至片上掺铒光波导模块；在基于掺铒光波导的片上量子存储器中制备原子频率梳对信号光子存储，进而建立闲频光子‑片上量子存储器的量子纠缠，形成片上光‑原子纠缠界面。本发明提出的片上光‑原子纠缠界面装置与方法能够实现光与掺铒光波导的高效率耦合与对信号光子的高效存储。本发明各组件均可来自成熟的光电器件，具有小型化、集成化、实用化等优势，为量子网络和系统的实用化发展开辟了新的途径。技术研发人员：周强,张宁,魏世海,张雪莹,樊博宇,范云茹,邓光伟,宋海智,王浟受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27