[发明专利]固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置

说明书

本发明提供了固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置，涉及量子信息技术领域，该固态关联光子对产生方法包括：将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级四个超精细能级；对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以产生斯托克斯光子；产生斯托克斯光子后对光谱烧孔吸收带依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以产生反斯托克斯光子，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置。

背景技术

光子在自由空间和光纤中传输时均会产生损耗，这导致光子信息的长程传输很难实现。想要实现数百公里以上的量子通信，可以采用量子中继方案。实现量子中继的一种可能方案是 Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) 方案，它主要包含两个核心步骤：第一，让物质系统产生具有量子关联的光子对，该光子对与物质系统具有关联；第二，通过对若干物质系统的关联光子对进行一系列线性光学操作和测量，可以实现子物质系统间的远程纠缠，从而实现量子中继。可见，产生具有量子时间关联的光子对是实现DLCZ的基础步骤。

稀土离子掺杂晶体具有很长的相干时间和很宽的吸收带宽，是有潜力用于实现长寿命时间多模DLCZ方案的一种物理系统。但是，稀土离子掺杂晶体的跃迁偶极矩强度较弱且非均匀展宽较大，导致直接应用原始的DLCZ方案难以产生高效的量子关联光子对。

近来，有研究报道，将量子存储的原子频率梳(AFC)方案与DLCZ方案相结合，提出了AFC-DLCZ方案，成功用稀土离子掺杂晶体中产生了时间多模的量子关联光子对。但对于Eu等跃迁偶极矩强度很弱的掺杂离子，AFC-DLCZ产生的量子关联光子对的效率和量子关联性仍较低，难以满足应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提出一种固态关联光子对产生方法、固态关联光子对产生装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

作为本发明的第一方面，提供了一种固态关联光子对产生方法，包括：

将预泵浦脉冲光入射至稀土离子掺杂晶体，以对稀土离子掺杂晶体进行光谱烧孔，得到光谱烧孔吸收带；稀土离子掺杂晶体中的稀土离子包括第一能级、第二能级、第三能级和第四能级；第一能级、第二能级、第三能级和第四能级为稀土离子的四个超精细能级，第一能级和第二能级的电子组态相同，第三能级和第四能级的电子组态相同，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第三能级的能量，第一能级的能量和第二能级的能量均低于第四能级的能量，且第一能级到第三能级的跃迁波长在光学波段；

对光谱烧孔吸收带施加写入脉冲光，以使光谱烧孔吸收带中的稀土离子产生斯托克斯光子，写入脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率；以及

产生斯托克斯光子后，对光谱烧孔吸收带依次施加第一复相π脉冲光、第二复相π脉冲光和读取π脉冲光，以使光谱烧孔吸收带的稀土离子产生反斯托克斯光子，斯托克斯光子和反斯托克斯光子组成关联光子对，其中，第一复相π脉冲光的中心频率和第二复相π脉冲光的中心频率均等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第三能级跃迁的共振频率，读取π脉冲光的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第二能级到第四能级跃迁的共振频率。

进一步地，固态关联光子对产生方法，还包括：在写入脉冲光与第一复相π脉冲光之间，在第一复相π脉冲光与第二复相π脉冲光之间，以及在第二复相π脉冲光与读取π脉冲光之间，引入射频脉冲光执行动力学解耦合，以延长反斯托克斯光子的寿命。

进一步地，光谱烧孔吸收带包括宽度为1MHz量级的吸收线，以及位于吸收线两端的宽度为10 MHz量级的透明带，吸收线的中心频率等于光谱烧孔吸收带的稀土离子从第一能级到第四能级跃迁的共振频率。