[发明专利]自旋布居数锁定的光子存储方法

说明书

一种自旋布居数锁定的光子存储方法，其包括：从掺有Eu³⁺离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将吸收线制备为透明背景下的孤立吸收峰；基于Laguerre‑Gaussian模式光场的空间吸收结构制备，以在所述离子系综上制备出空间上中心吸收而外围透明的吸收结构；基于两个π/2脉冲的光子回波存储，实现对入射信号光子的存储；基于两个π脉冲的自旋布居数锁定，把信号光子存储为基态g能级‑基态s能级跃迁上的布居数结构；以及对光子回波信号的读取过程。本发明的存储方法实现了小时至天量级的超长寿命光子存储器，可用于量子加密U盘、远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种自旋布居数锁定的光子存储方法。

背景技术

光子存储器指能够相干地存储光子状态的存储器。光子存储器是量子网络的核心器件，是实现远程量子通信的前提。目前用于实现光子存储器的而具体物理系统包括：冷原子、热原子、稀土掺杂晶体以及腔内单个原子等。各种物理系统都有各自的优势及劣势，但综合而言，光子存储器的技术指标都无法满足实用化量子网络建设的具体需求。其中一个关键的技术需求就是长寿命的光子存储，因为存储时间决定了网络点间的信道距离以及能实现的最远量子态传输距离。

当前光子存储器实现单光子的最长存储寿命为百毫秒量级，经典强光的最长存储寿命为分钟量级。其中分钟量级的经典光存储只是观察了经典图像的存储，未证明存储装置对光场相干性的保护能力[参考文献：G.Heinze，C.Hubrich and T.Halfmann，Phys.Rev.Lett.111，033601(2013).]。光子存储的主要方法包括：电磁感应诱导透明、拉曼散射、原子频率梳等。在已有的存储方案上进一步提升存储寿命都遇到了重大的技术挑战。

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供一种自选布居数锁定的光子存储方法，以至少部分解决上述问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种自旋布居数锁定的光子存储方法，包括：

从掺有Eu³⁺离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将离子系综内离子的吸收线制备为透明背景下的孤立吸收峰；基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备，以在所述离子系综上制备出空间上中心吸收而外围透明的吸收结构；

基于两个π/2脉冲的光子回波存储，在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子的存储；

基于两个π脉冲的自旋布居数锁定，把信号光子存储为基态g能级-基态s能级跃迁上的布居数结构，延长存储寿命至自旋布居数寿命的量级；

以及对光子回波信号的读取，用于在入射信号的原方向上读取出信号。

在进一步的实施方案中，掺有Eu³⁺离子的存储介质为掺有同位素提纯的¹⁵¹Eu³⁺或¹⁵³Eu³⁺的透明单晶。

在进一步的实施方案中，从掺有Eu³⁺离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，包括：施加至少三束与样品光学跃迁共振的扫描激光，从掺有Eu³⁺离子的存储介质非均匀展宽的吸收线中选择出一个能级结构一致的离子系综；撤除其中一束扫描激光，将离子系综的自旋状态极化为同一初态的aux能级；施加与aux能级至激发态跃迁的扫描激光，同时施加与s能级至激发态跃迁的扫描激光，形成在透明带内的一个孤立的吸收线，吸收线内离子布居数处于g能级上。