[发明专利]基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统

说明书

一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：该纠缠光子产生单元用于产生纠缠光子对，其中一束纠缠光子作为该纠缠光子开关单元的探测信号；该纠缠光子开关单元包括：一三维磁光阱，提供一三维原子系综；一二向色镜，用于将外部输入的耦合光反射于所述三维磁光阱上，与探测信号共同作用，实现电磁感应透明；以及一偏振分束器，用于将外部输入的相干脉冲的开关控制光耦合作用于三维磁光阱上，实现对光子开关控制。该系统通过调节耦合光和开关控制光的准直和聚焦，以及提高三维原子系综中里德堡原子高激发态|nD＞的主量子数，实现开关对比度超过50％的开关，对量子网络的构建起到重要作用。

技术领域

本发明属于量子信息领域，尤其涉及基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统。

背景技术

随着近年来量子信息技术的发展，量子通信和量子计算方面的研究不断进步，未来发展的重要目标就是量子网络的实现。单光子开关是量子网络所需的一个基本构成单元。里德堡原子具有令人瞩目的里德堡长程相互作用，赋予介质以很大的非线性性质，由此所导致的偶级阻塞效应可以被用来制作单光子量子开关，对量子网络的搭建非常重要。实现用单个量子粒子操控整个纠缠系统的任务，是量子信息科学的里程碑和长远目标。

类似于经典电子设备的对应产品，量子光开关是被看作量子网络和量子电路的基本单元。处于全量子机制中的，单个粒子能够操控来自另一个系统的量子比特或纠缠的开关态，可能会允许在量子信息领域中的进一步应用，例如，在量子计算，分布式的量子信息处理，以及计量学等领域等等。许多研究努力于构建这样的原型。例如，单原子的耦合的微谐振器。微型中空光纤中囚禁的冷原子，处于强耦合机制下的腔中的冷原子，使用强耦合的量子点腔，还有使用染料单分子。这些实验都实现了对弱相干光的阻塞，但不能够对单光子进行阻塞。由于弱相干光源是单光子和多光子脉冲的概率混合，其量子特性相比于单光子更弱，需要开发具有更高精度的光开关才能够实现对单光子的阻塞。这种能够实现对单光子阻塞的开关，可以为量子计算中光量子比特的操控打下基础。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，以期实现纠缠光子对的产生，并对产生的单光子进行开关操作，至少部分的解决上述现有技术中的不足之处。

(二)技术方案

本发明提供一种基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统，包括一纠缠光子产生单元和一纠缠光子开关单元，其中：

该纠缠光子产生单元用于产生纠缠光子对，其中一束纠缠光子作为该纠缠光子开关单元的探测信号；以及

该纠缠光子开关单元，包括：

一三维磁光阱，其中囚禁一三维原子系综；

一二向色镜，用于将外部输入的耦合光反射于所述三维磁光阱上，与探测信号共同作用，实现电磁感应透明；以及

一偏振分束器，用于将外部输入的相干脉冲的开关控制光耦合到三维磁光阱里，实现对光子的开关控制。

其中，所述纠缠光子开关单元还包括：两个透镜，位于所述三维磁光阱两侧，用于将所述耦合光、开关控制光与探测信号光进行强聚焦，增强光和原子系综的相互作用，实现光子开关；

其中，所述开关控制光的频率与所述探测信号光的频率相等；

其中，所述纠缠光子开关单元更包括：

一干涉滤波片，对所述三维磁光阱透射出的光进行滤波；

一四分之一波片以及一半波片，对干涉滤波片滤波后的信号光进行测量基矢的控制。

其中，所述纠缠光子产生单元，包括：