[发明专利]基于微型池中里德堡原子四波混频效应的单光子产生方法

说明书

本发明涉及单光子源的产生。基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，波长为795 nm的第一激光、波长为475 nm的第二激光、波长为480 nm的第三激光同时入射进偏振分束棱镜中合成一束混合光后，通过第一凸透镜聚焦后入射至铷原子蒸汽池中，在铷原子蒸汽池中会生成波长为480 nm的单光子激光既第四激光后一起从铷原子蒸汽池中出射，过滤掉混杂的第一激光、第二激光、第三激光。利用里德堡原子间的强长程相互作用导致激发阻塞效应，利用两步激发将原子激发至里德堡态，在激发范围内只有单个里德堡原子，并利用退激发光将原子布居至中间态，最终获得中间态跃迁至基态时释放的单光子。

技术领域

本发明涉及单光子源的产生，是基于里德堡原子间强的长程相互作用引起的激发阻塞效应。是建立室温下量子通信网络的核心器件。

背景技术

单光子源是量子计算、模拟、传感特别是量子通信等领域的组成部分，高效率、高保真度的单光子源一直是人们追求的目标。目前，可以满足需要的，具有较高效率的单光子源诸如基于量子点的固态器件、色心以及单分子等，这些平台基本都需要在低温下运行，并且由于基于固态实现的原因，与声子的相互作用、自旋噪声、压力以及漂移电场等的影响，都将会引起频率和相位等的较大噪声。基于中性原子或者离子的单光子产生，由于原子或者离子的能级较窄，其发射的单光子从本质上具有较窄的频率带宽和稳定的相位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何获得一种基于中性原子的单光子产生方法。

本发明所采用的技术方案是：基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，波长为795nm的第一激光、波长为475nm的第二激光、波长为480nm的第三激光同时入射进偏振分束棱镜中合成一束混合光后，通过第一凸透镜聚焦后入射至铷原子蒸汽池中，在铷原子蒸汽池中会生成波长为780nm的单光子激光既第四激光后一起从铷原子蒸汽池中出射，过滤掉混杂的第一激光、第二激光、第三激光；铷原子蒸汽池主体是将两块耐热玻璃板(ACDF和ABEF)粘合而成，两块玻璃板中间形成一个空腔，空腔的形状是一个底面为等腰三角形的棱柱，包括了两个等腰三角形底面(ABC和FED)、两个较大的矩形侧面(ACDF和ABEF)以及一个较小的矩形侧面(BCDE)，混合光从其中一个较大的矩形侧面入射，从另一个较大的矩形侧面出射；较小的矩形侧面连接原子储存池。

作为一种优选方式：第一凸透镜将第一激光在铷原子蒸汽池中的腰斑聚焦为1μm，同时第二激光和第三激光在铷原子蒸汽池中的腰斑为10μm，腰斑是指激光在较大的矩形侧面上形成的光斑。

作为一种优选方式：从铷原子蒸汽池中出射的四束混合激光，首先通过双色镜片将第二激光和第三激光滤出光路，通过第二凸透镜扩束后利用单模光纤收集第一激光和第二激光组成的混合激光，然后利用一组滤光片将单模光纤出射激光中所包含的第一激光彻底过滤，剩余激光即为波长为780nm的单光子激光既第四激光。

作为一种优选方式：使用波长为480nm的第五激光照射铷原子蒸汽池，利用光致原子解吸附LIAD原理，将铷原子蒸汽池空腔内壁上的原子解吸附至空腔中，提高原子密度。

作为一种优选方式：激发池联通原子储存池，原子储存池其中充有铷原子，通过分别调节原子储存池与激发池的温度，控制激发池中的原子密度。

本发明所述方法的工作原理如下：里德堡原子即高激发态原子，具有能级寿命长，原子间具有极强的长程相互作用等特点，其范德瓦尔斯形式的相互作用与C₆系数有关，并与里德堡态的主量子数n¹²成正比，因此当原子被激发至里德堡态时，在原子间强的相互作用下，其它原子的里德堡能级发生平移，如果相互作用足够强，以至于里德堡能级的平移大于激发光线宽，这时在一定的空间范围内就只有一个原子被激发至里德堡态，再利用一束退激发光将原子数相干布居至中间态，在满足相位匹配的条件下，中间态跃迁至基态时，将释放出频率一定相位稳定的单光子。