[发明专利]一种单光子偏振转化方法

说明书

本发明公开一种单光子偏振转换方法，属于波导量子电动力学领域。针对现有实现单光子偏振转化需要多个原子或腔辅助，继而不得不调控多个耦合参数且存在多个耗散通道的问题，本发明提供一种单光子偏振转化方法，它包括将半无限波导与Lambda型三能级系统进行耦合，半无限波导一端为入射端，另一端为反射端，反射端沿半无限波导方向与Lambda型三能级系统的距离定义为a；半无限波导由一维光子晶体或超导传输线体系实现；假设偏振为水平的单光子经入射端发射至半无限波导中，定义θ＝ka；若θ＝(n+1/2)π，则反射光子变为垂直偏振光，若θ＝mπ，则反射光子偏振保持为水平。本发明只需一个Lambda型三能级系统与半无限波导进行耦合，无需多个原子或腔辅助，提高成功率，过程能耗低，节约成本。

技术领域

本发明属于波导量子电动力学技术领域，更具体地说，涉及一种单光子偏振转化方法。

背景技术

偏振是光子的重要特性之一，在量子信息处理等方面具有重要的应用价值，比如利用偏振对量子信息编码等。光的偏振转换也是现今多个课题组研究的重点课题之一。不同课题组讨论了利用衍射光栅、美特材料，拓扑特性等实现光的偏振转换。

波导量子电动力学是最近研究的热点之一，基于波导量子点动力学的量子信息处理得到了人们的广泛关注。基于波导-原子耦合的量子器件如单光子源、多光子源、SWAP等也都已经被提出或实验实现。

Law课题组研究了单光子的偏振转换特性，如T.S.Tsoi,and C.K.Law,“Single-photon scattering on Λ-type three-level atoms in a one-dimensionalwaveguide”,Physical Review A 80,033823(2009)，他们发现利用波导与多个Lambda系统散射实现单光子偏振转换，但是需要多个Lambda系统与波导耦合，并且要求所有的耦合常数都相同；又如龚尚庆课题组研究了利用一维波导与一个Lambda系统外加一个辅助腔实现单光子偏振转换，M.X.Li,J.Yang,G.W.Lin,Y.P.Niu,and S.Q.Gong,“Scattering of asingle photon in a one-dimensional coupled resonator waveguide with a Λ-typeemitter assisted by an additional cavity”,Chinese Physics B 27,054206(2018)，但是需要辅助系统的加入，并且需要精确控制辅助系统与波导的耦合；再如申请人本人提出利用一维波导与一个Lambda系统和一个V型三能级系统实现单光子偏振转换，Mu-TianCheng,Xiuwen Xia,Jingping Xu,Chengjie Zhu,Bing Wang,and Xiao-San Ma,“Singlephoton polarization conversion via scattering by a pair of atoms”,OpticsExpress 26,28872(2018)，但是需要用V型系统辅助，需要精确控制V型系统与波导的耦合，V型三能级系统的存在也会引入耗散，导致转换成功率不高。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中实现光子偏振转化需要利用多个原子或腔辅助，耦合参数的精确调控困难且能量耗散通道多的问题，本发明提供一种单光子偏振转化方法。相比于现有技术，本发明无辅助微腔或V型三能级系统等辅助，需要精确控制的耦合参数减少；同时，由于没有采用辅助微腔或V型三能级系统，也有效避免了它们带来的能量损耗，使得光子的偏振转换具有很高的准确性。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种单光子偏振转换方法，包括以下步骤：