一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法

本发明涉及光子纠缠，尤其涉及一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法。

背景技术：

1、近几年来，超导量子计算机发展迅速，但由于稀释制冷机的空间有限，想要形成大规模的低错误率的量子计算机仍有困难；为了克服这一困难，分布式量子计算成为大规模量子计算机的一个重要途径。然而，超导量子比特在微波环境下工作。由于微波光子在室温下存在较大的热噪声，将携带脆弱量子信息的微波光子传输到远端的效率极低。相比之下，基于光纤的光学通信要方便得多。这是因为一个光学光子的能量尺度远高于kbt(其中kb和t分别表示玻尔兹曼常数和温度)，使得热噪声可以忽略不计；波长为1550nm的光子具有最小的光学损耗。

2、为弥补微波和光学领域之间的差距，一般采取以下两种解决方案：第一种方案是使用相干量子换能器，其目的是将输入微波光子直接映射到光学光子。实现量子换能器的方法包括使用电光效应、原子光相互作用、压电和光机械效应的组合以及电光机械效应。然而，量子换能器的确定性转导在转换效率和增加的经典噪声方面有很高的要求，如果转换效率低于所需阈值，则确定性状态转移将无法实现。另一种方案是基于纠缠微波光波的量子隐形传态，量子隐形传态不仅限于两级量子比特或有限级系统，还可以扩展到具有无限维希尔伯特空间的连续变量系统，实现量子态转移。

3、为稳定地产生确定性光子纠缠，现有技术对光子纠缠源提出四个需求清单：(1)纠缠保真度；(2)按需产生；(3)提取效率；(4)不可区分性。现有的超快脉冲spdc满足纠缠保真度、提取效率和不可区分性，但按需产生仍然是超快脉冲spdc的一个固有问题，因为其光子对是概率生成的，并且不可避免地伴随着不期望的多对发射。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，能够实现单光子水平上的微波光子和光波光子的确定性纠缠。

2、本发明所采用的第一技术方案是：一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，包括以下步骤：

3、基于双光子跃迁将原子从基态通过第二中间态耦合到第三中间态；

4、基于里德堡单激发对第三中间态的原子进行抑制，得到单光子激发态；

5、单光子激发态的原子自发辐射到第四中间态，并生成单个微波光子；

6、基于驱动场将第四中间态的原子通过第五中间态跃迁到第六中间态；

7、第六中间态的原子自发弛豫到基态，并生成单个光波光子；

8、基于微波腔提高对单个光波光子和单个微波光子的耦合强度，得到纠缠光子对。

9、进一步，所述单光子激发态的激发区域被限制在里德堡阻塞半径内。

10、进一步，所述耦合强度受微波腔的内部结构影响；通过改变微波腔的内部结构，提高微波腔内的中心电场强度，从而提高对单个光波光子和单个微波光子的耦合强度，高效产生纠缠光子对。

11、进一步，所述方法的哈密顿量，其表达式如下：

12、

13、其中，h表示哈密顿量；表示约化普朗克常数；δa表示从基态|1>到第六中间态|6>跃迁频率与光场频率的失谐；表示光学模式的产生算符；δb表示从第四中间态|4>到第三中间态|3>跃迁频率与光场频率的失谐；表示微波模式的产生算符；a表示光学模式的湮灭算符；b表示微波模式的湮灭算符；δ4表示第四中间态|4>的本征频率与光场、第四驱动场的失谐；表示第四中间态|4>的玻色子集体激发算符；r表示第四中间态|4>的玻色子厄米共轭；δ5表示第五中间态|5>的本征频率与光场、第五驱动场的失谐；f表示第五中间态|5>的玻色子厄米共轭；表示第五中间态|5>的玻色子集体激发算符；δ6表示第六中间态|6>本征频率与光场频率的失谐；表示第六中间态|6>的玻色子集体激发算符；p表示第六中间态|6>的玻色子厄米共轭；δ7表示从基态|1>通过第二中间态|2>到第三中间态|3>跃迁的等效二能级的失谐；表示第三中间态|3>的玻色子集体激发算符；e表示第三中间态|3>的玻色子厄米共轭；ωl表示光学模式的单原子耦合强度；ωm表示微波模式的单原子耦合强度；ω5表示从第六中间态|6>到第五中间态|5>跃迁的拉比频率；ω4表示从第四中间态|4>到第五中间态|5>跃迁的拉比频率；h.c表示厄米共轭。

14、进一步，所述微波模式的单原子耦合强度、光学模式的单原子耦合强度、从第六中间态到第五中间态跃迁的拉比频率和从第四中间态到第五中间态跃迁的拉比频率的设定需要满足阻抗匹配条件。

15、进一步，所述方法的主方程，其表达式如下：

16、

17、

18、其中，表示描述衰减过程的lindblad算符；表示衰减过程；表示算符对应的衰减速率；mj表示玻色子厄米共轭；表示玻色子集体激发算符。

19、本发明方法的有益效果是：本发明通过六能级原子系综，在原子跃迁时基于里德堡激发和偶极子阱的腰，使得整个激发区域在里德堡阻塞半径内，产生所需的单光子；通过微波腔与单激发耦合，通过改变腔的内部结构，使得中心场强得到显著提高，从而达到强耦合以实现高效率产生纠缠光子对，实现单光子水平上的微波光子和光波光子的确定性纠缠。为量子态转移、实现分布式量子计算提供了另一种途径，从而扩大超导量子比特的通用量子网络，在超导量子计算机的光量子互联研究中起到重要作用，对于当前量子科技突飞猛进的时代，具有广阔的应用前景和科研价值。

20、附图说明

21、图1是本发明一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法的步骤流程图；

22、图2是本发明一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法的原子六能级示意图；

23、图3是本发明一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法的无损耗演化示意图；

24、图4是本发明一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法的有损耗演化示意图；

25、图5是本发明一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法调节微波腔的内部结构前的中心电场强度示意图；

26、图6是本发明一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法调节微波腔的内部结构后的中心电场强度示意图；

技术特征：

1.一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，其特征在于，所述单光子激发态的激发区域被限制在里德堡阻塞半径内。

3.根据权利要求1所述一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，其特征在于，所述耦合强度受微波腔的内部结构影响；通过改变微波腔的内部结构，提高微波腔内的中心电场强度，从而提高对单个光波光子和单个微波光子的耦合强度，产生纠缠光子对。

4.根据权利要求1所述一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，其特征在于，所述方法的哈密顿量，其表达式如下：

5.根据权利要求4所述一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，其特征在于，所述微波模式的单原子耦合强度、光学模式的单原子耦合强度、从第六中间态到第五中间态跃迁的拉比频率和从第四中间态到第五中间态跃迁的拉比频率的设定需要满足阻抗匹配条件。

6.根据权利要求1所述一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，其特征在于，所述方法的主方程，其表达式如下：

技术总结本发明公开了一种单微波光波光子纠缠的确定性产生方法，该方法包括：基于双光子跃迁将原子从基态通过第二中间态耦合到第三中间态；基于里德堡单激发对第三中间态的原子进行抑制，得到单光子激发态；单光子激发态的原子自发辐射到第四中间态，并生成单个微波光子；基于驱动场将第四中间态的原子通过第五中间态跃迁到第六中间态；第六中间态的原子自发弛豫到基态，并生成单个光波光子；基于微波腔提高对单个光波光子和单个微波光子的耦合强度，得到纠缠光子对。通过使用本发明，能够实现单光子水平上的微波光子和光波光子的确定性纠缠。本发明可广泛应用于量子纠缠技术领域。技术研发人员：梁振涛,张善坤,黄冠豪,林桂纯受保护的技术使用者：华南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2