[发明专利]一种基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计

权利要求书

1.一种基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计，其特征在于，该量子网络节点设计包括一个复合光腔、单个原子(a)和光信号(s)；所述复合光腔的整体呈脊形结构，包括两个结构相同的半封闭光腔和与所述半封闭光腔相连接的波导；光信号从所述半封闭光腔的光信号输入端(s)输入，然后在所述复合光腔内进行传输；所述原子(a)用于编码量子比特和与光子相互作用，且原子(a)位于所述波导内的中间位置；

其中，所述复合光腔包括依次连接的光腔(101)，波导(w)和光腔(102)；所述两个光腔(101和102)为矩形波导谐振腔，所述波导(w)为矩形截止波导，并且所有矩形波导(w)的中心线均呈直线，所述光腔(101)右端开小孔，与所述波导(w)的左端相连接，所述光腔(102)的左端开小孔，与所述波导(w)的右端相连接；

所述光腔(101)、光腔(102)和波导(w)的宽度均为预设波导宽度，高度均为预设波导高度，长度均为预设波导长度。

2.根据权利要求1所述的基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计，其特征在于，所述量子网络节点包括：为了低损耗、低吸收，采用理想金属材料(PEC)作为光腔(101)、光腔(102)和波导(w)的外壳(201)；在所述理想金属材料(201)内包括所述光波导(w)和所述两个半封闭光腔(101)和(102)；

其中，所述光波导(w)内部填充真空μ_r＝1，ε_r＝1(202)，其尺寸为宽度s＝6×10^-6m，高度d＝5×10^-6m，长度L＝3×10^-6m；所述光腔(101和102)内部填充均匀材料μ_r＝1，ε_r＝2.2(203)，其尺寸为宽度a＝6×10^-6m，高度b＝5×10^-6m，长度L₂＝2×10^-5m。

3.根据权利要求2所述的基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计，其特征在于，复合光腔形成二能级结构的方式为：

在所述光腔(101)的左侧开小孔施加光信号，所述光信号为TE₁₀模式光源，光信号在复合光腔内传播，即两个半封闭光腔中的电磁波通过中间波导传播，由于所述波导(w)为矩形截止波导，相当于一个势垒，所以复合光腔构成一个光学的双势阱结构，并且光信号通过所述截止波导内的量子隧穿效应所产生的自发对称性破缺，形成一个光学的二能级结构。

4.根据权利要求3所述的基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计，其特征在于，所述光信号的频率为1.06×10¹⁴ω1.57×10¹⁴(rad/s)。

5.根据权利要求3和4所述的基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计，其特征在于，通过两能级光子系统所述原子(a)系统的耦合，可以提出一种新的光学量子比特物理实现；所述原子可以是Λ-型原子或人工原子，所述人工原子为约瑟夫森结，所述约瑟夫森结由两层超导体中间夹一层极薄的绝缘体构成，当绝缘层厚度薄到几纳米后会发生电子对隧穿效应，是一个二能级结构，用于编码量子比特。

6.根据权利要求3或4所述的基于光腔-波导-光腔的量子网络节点设计，其特征在于，所述量子网络节点编码量子比特的方式为：

利用所述二能级的原子系统编码量子比特，将所述复合光腔形成的二能级光学系统作为辅助；利用所述复合光腔形成的二能级系统编码量子比特，将所述原子系统作为辅助，也可以同时利用所述原子系统和所述复合光腔形成的二能级光子系统编码量子比特，形成光子和原子之间的纠缠态。