一种全量子化单光子二极管及其光子频率、透射方向调控方法

本发明属于波导量子电动力学，更具体地说，涉及一种利用注入微腔光子数实现调控透射光子频率、通过操控波导与巨原子耦合相位差控制光子透射方向的全量子化的单光子二极管。

背景技术：

1、近年来，随着研究者们对微观领域的进一步的探索与研究，以操控光子、人造原子等人造量子体系为基础的量子信息技术得到发展，而波导量子电动力学作为研究光与物质相互作用的优秀平台，在量子信息处理和量子网络构建等方面具有广泛应用价值，基于波导量子体系的光量子器件的设计逐渐被提出并得以实现。其中，光子作为电磁场量子化的实体，在自由空间或者是传导的光纤中不易损耗，是一种可飞行的量子信息载体，而传输量子信息的量子信道则是由波导实现，量子网络结构中的量子节点可以由量子比特实现。

2、随着纳米制造技术的进一步发展，一种新的原子-波导耦合体系被提出。其中，原子的尺寸可以与波导中传输光子波长类比。此时，电偶极近似不再成立，原子与波导之间的耦合需要考虑多点耦合。这种原子也被称为巨原子，巨原子可以通过人工超导比特与声学波或微波波导实现，也可以通过铁磁自旋系综与波导耦合实现。一维波导中的非互易的光传输可以用来实现光隔离器(或光二极管)，在光通讯等领域具有重要应用价值。由于光子之间很难直接相互作用，光子也成为量子信息的优良载体。鉴于此，量子电路也需要单光子二极管。基于小原子与波导手性耦合或利用回音壁腔辅助，实现单光子二极管已经被广泛研究，并在实验中成功实现。目前，利用巨原子与波导手性耦合方式实现单光子二极管，仍处于探索阶段。

技术实现思路

1、1.发明要解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供透射方向可控、透射光子频率可调的全量子化单光子二极管及其实现方法。本发明主要解决如下三个问题：(1)光子透射方向不能调控的问题；(2)对不同频率的光子实现路由问题；(3)全量子化系统控制问题。值得说明的是，在理想情况下，可以实现完美的单光子隔离效果δt＝1。

3、2.技术方案

4、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

5、本发明的一种全量子化单光子二极管，巨原子置于辅助微腔中，构建一种巨原子与微腔耦合的结构，将辅助微腔与巨原子相互耦合至一维平面波导，波导为光子传输通道，巨原子结构中有一个能级跃迁与波导中的光子模式耦合，另一个能级跃迁与辅助微腔耦合。

6、更进一步地，所述的巨原子有三个级联能级，|e>，|s>和|v>分别表示巨原子的激发态、中间态和基态三个能级；|e>和|s>能级之间的跃迁通过辅助微腔耦合，|s>和|v>能级之间的跃迁通过波导耦合；辅助微腔与能级|s>和|v>之间跃迁无耦合，|e>和|s>之间跃迁与波导无耦合。

7、更进一步地，|s>和|v>能级之间的跃迁通过波导耦合，耦合点位于x＝0和x＝d，耦合强度分别为和g为实数，θ1和θ2为局部耦合相位因子。

8、更进一步地，该全量子化单光子二极管的哈密顿量为：

9、h＝hw+ha+hc+hint

10、其中，hw为波导中自由传输光子哈密顿量，ha是巨原子哈密顿量，hc是辅助微腔哈密顿量，hint是巨原子、辅助微腔以及波导之间构成的量子系统的相互作用哈密顿量。

11、更进一步地，该全量子化单光子二极管的态函数为：

12、

13、其中，ur(x)、ul(x)分别表示波导中向右和向左传输光子的概率振幅；|l，m>(l＝v，s，e；m＝n，n-1)表示该时刻巨原子处于|l>态，辅助微腔中有m个光子；us，ue分别表示巨原子处于能级|s>和能级|e>的概率振幅；表示在波导中x处产生向右传输光子的算符；表示在波导中x处产生向左传输光子的算符。

14、更进一步地，该二极管通过超导量子电路实现，通过人工制造的巨原子结构与含有多光子数的辅助微腔耦合至光纤波导，单光子发射器发射光子通过光纤与人造巨原子相互作用，通过在电路中引入约瑟夫森结环，改变外部磁通量的变化来实现对局部耦合相位θ1和θ2的调控。

15、本发明的一种全量子化单光子二极管的光子频率调控方法，通过控制注入辅助微腔的光子数实现透射光子频率调控。

16、本发明的一种全量子化单光子二极管的光子透射方向调控方法，通过控制波导与巨原子耦合相位差控制光子透射方向。

17、3.有益效果

18、采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

19、(1)相对于现有技术，本发明引入了巨原子与微腔耦合结构，通过注入光子至微腔，可以有效的实现调控不同频率的单光子，实现完美单光子隔离。需要强调的是，该单光子隔离器是全量子化的。

20、(2)通过调控巨原子与波导耦合相位差，可以控制单光子二极管光子透射方向。

技术特征：

1.一种全量子化单光子二极管，其特征在于：巨原子置于辅助微腔中，构建一种巨原子与微腔耦合的结构，将辅助微腔与巨原子相互耦合至一维平面波导，波导为光子传输通道，巨原子结构中有一个能级跃迁与波导中的光子模式耦合，另一个能级跃迁与辅助微腔耦合。

2.根据权利要求1所述的一种全量子化单光子二极管，其特征在于：所述的巨原子有三个级联能级，|e>，|s>和|v>分别表示巨原子的激发态、中间态和基态三个能级；|e>和|s>能级之间的跃迁通过辅助微腔耦合，|s>和|v>能级之间的跃迁通过波导耦合；辅助微腔与能级|s>和|v>之间跃迁无耦合，|e>和|s>之间跃迁与波导无耦合。

3.根据权利要求2所述的一种全量子化单光子二极管，其特征在于：|s>和|v>能级之间的跃迁通过波导耦合，耦合点位于x＝0和x＝d，耦合强度分别为和g为实数，θ1和θ2为局部耦合相位因子。

4.根据权利要求3所述的一种全量子化单光子二极管，其特征在于：该全量子化单光子二极管的哈密顿量为：

5.根据权利要求4所述的一种全量子化单光子二极管，其特征在于：该全量子化单光子二极管的态函数为：

6.根据权利要求5所述的一种全量子化单光子二极管，其特征在于：该二极管通过超导量子电路实现，通过人工制造的巨原子结构与含有多光子数的辅助微腔耦合至光纤波导，单光子发射器发射光子通过光纤与人造巨原子相互作用，通过在电路中引入约瑟夫森结环，改变外部磁通量的变化来实现对局部耦合相位θ1和θ2的调控。

7.一种如权利要求1-6任一项所述全量子化单光子二极管的光子频率调控方法，其特征在于：通过控制注入辅助微腔的光子数实现透射光子频率调控。

8.一种如权利要求1-6任一项所述全量子化单光子二极管的光子透射方向调控方法，其特征在于：通过控制波导与巨原子耦合相位差控制光子透射方向。

技术总结本发明公开了一种全量子化单光子二极管及其光子频率、透射方向调控方法，其将巨原子置于辅助微腔中，构建一种巨原子与微腔耦合的结构，将辅助微腔与巨原子相互耦合至一维平面波导，波导为光子传输通道，巨原子结构中有一个能级跃迁与波导中的光子模式耦合，另一个能级跃迁与辅助微腔耦合。|e>，|s>和|v>分别表示巨原子的激发态、中间态和基态三个能级；|e>和|s>能级之间的跃迁通过辅助微腔耦合，|s>和|v>能级之间的跃迁通过波导耦合；辅助微腔与能级|s>和|v>之间跃迁无耦合，|e>和|s>之间跃迁与波导无耦合。本发明引入了巨原子与微腔耦合结构，可以有效实现全量子化的频率可调的单光子二极管，同时通过控制耦合系数相位差，可以控制单光子二极管透射方向。技术研发人员：宋艳艳,蔡国庆,臧耀,路云宁,马小三,程木田受保护的技术使用者：安徽工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4