[发明专利]一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器

说明书

本发明涉及一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器，属于量子信息科学技术领域。本发明以掺铒光波导为存储介质制备原子频率梳，实现光量子态的片上存储。本发明中制备通信波段片上量子存储器的各部分组件，均可来自光纤通信波段成熟的材料和光电子学器件，有利于光通信波段的量子互联网的组装制备和实用化发展。此类光通信波段的片上量子存储器具有小型化、集成化、大宽带、多模存储的特点，对推进含量子中继器的量子互联网发展具有至关重要的意义。

技术领域

本发明属于量子信息科学技术领域，具体涉及一种基于掺铒光波导的通信波段量子存储器。

背景技术

量子存储器通过利用光与原子之间的相互作用实现光量子态的存储，其对于量子中继乃至量子信息网络的实现至关重要。现阶段，用于发展量子存储器的常用物理体系包括：单原子、原子系综、稀土掺杂固态系综、离子阱、NV/SiV色心、量子点、光机械振子等。常用于实现固态量子存储器的量子存储协议主要包括光子回波、电磁感应透明、可反转非均匀展宽以及原子频率梳。基于原子频率梳协议的稀土掺杂固态量子存储器不仅具有较高存储效率、较长存储时间，还可实现大宽带以及多模存储。

在量子网络中，根据量子不可克隆原理，编码在单光子上的量子信息无法通过经典的光放大技术进行放大。因此，在长距离的光纤传输过程中，只能选择传输损耗率最低的通信波段(1.5μm附近)光子来传输量子信息，同时要求传输系统中的量子存储器具有存储通信波段光子的能力。铒离子在与波长位于1.5μm附近的通信波段光场相互作用时可以发生光学跃迁。因此，掺铒固体材料可以作为基于原子频率梳协议的通信波段、大宽带量子存储器的存储介质。

随着量子网络的发展，发展集成化的量子器件是一条必经之路，对于集成化的量子存储器而言，常用光波导作为存储介质，主要原因是它对光场的束缚作用强，可增强光与原子相互作用，进而可以提升量子存储效率。在采用波导的量子存储器中，几乎均采用分立元器件的自由空间耦合方案，此方案为实现高效率的光与波导耦合带来了极大的不便，限制了量子存储器的便捷性，也不利于器件的小型化与集成化，增加了大规模量子互联网的复杂性。因此，量子信息领域目前亟需集成化、小型化、实用化的通信波段量子存储器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器。本发明以掺铒光波导作为量子存储介质，结合全光纤化封装方法，并采用基于原子频率梳的量子存储协议，实现了小型化、集成化、实用化、大带宽、可多模存储的通信波段固态量子存储器件。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器，包括依次相连接的泵浦激光源1、相位调制器2、可调光衰减器3、第一光开关4、偏振控制器5、第二光开关6和掺铒光波导模块7，所述偏振控制器5的输出端连接所述第二光开关6的第一输入端口，所述第二光开关6的第二输入端口16用于输入待存储光子；

所述掺铒光波导模块7由固定于衬底8之上的依次排列的第一光纤准直器9、掺铒光波导芯片11和第二光纤准直器14构成，掺铒光波导芯片11由基体材料12和掺铒光波导13构成，所述第一光纤准直器9与第二光开关6的输出端通过光纤相连接；

所述泵浦激光源1用于为量子存储器中原子频率梳制备过程提供泵浦光；

所述相位调制器2用于实现泵浦光的移频；

所述第一光开关4用于控制泵浦光的脉宽、占空比和通断；

所述第二光开关6用于选择让待存储光子或泵浦光进入掺铒光波导模块7；

所述掺铒光波导13为量子存储器的存储介质，输入其中的泵浦激光可以与波导中的铒离子系综发生相互作用，在波导中制备出原子频率梳用于存储待存储光子。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。