一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统和方法，包括至少一个量子节点，每个量子节点均包括钻石光力腔结构；还包括分别作用在每个钻石光力腔结构上的第一激发装置、第二激发装置和第三激发装置；利用第一激发装置发出的第一激发光和第二激发装置发出的第二激发光完成任一量子节点从自旋态向机械态的无缝转换或从机械态向自旋态的无缝转换；利用第三激发装置发出的第三激发光完成任一量子节点从机械态向光学态的无缝转换或从光学态向机械态的无缝转换。本发明专利技术基于钻石光力腔结构，以机械态为媒介，实现了从自旋态、机械态到光学态的频率无缝连接转化，对于量子网络的规模化、固态化发展具有积极推进作用。作用。作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统和方法


[0001]本专利技术涉及量子信息
，尤其涉及一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统和方法。

技术介绍

[0002]近年来，量子信息技术迅猛发展，无论是量子通信还是量子计算的发展，都依赖于规模化量子网络的建立以及信息在网络中的高保真、低损耗、长距离的传输。量子信息的载体可以有光子、声子、电子自旋等多种形式，光子适合做信息长距离传输的载体，声子和自旋适合作信息存储的载体。在规模化的量子网络中，实现不同量子载体之间的信息传递，也即在物理层面实现不同量子态之间的转化，是量子网络规模化建设的重要环节。然而，目前在不同量子信息载体之间实现态转换，需要满足频率匹配的要求，这大大限制了量子信息载体在量子网络中普适化的发展和交叉应用。
[0003]目前，以氮空位钻石色心的电子自旋为代表的固态量子信息载体在量子信息存储和操作方面表现出极大的优势，如何将这类固态量子信息载体与现有通讯波段的量子通道相连接，构建全固态量子网络，是量子信息
以及产业发展的一个瓶颈。制约这项技术发展的是电子自旋和通讯波段光子之间的频率不匹配，目前比较常用的解决方法有两种，一种是基于电光效应或晶体光学的频率转换的方案，通过引入非线性光学效应，弥补自旋和光子之间的频率失谐。但是，这类方法的实现依然对光子频率和固态量子信息载体发射频率有着严格的共振要求，不合适规模化网络中不同固态量子信息载体的应用。另一种方法是基于光力腔结构的态转换方式，通过借助光力微腔结构的机械振动模式，实现了任意频率的光子态和自旋态之间的转化，克服了频率匹配的难点。但是，在系统实施方案上，还需要满足光力腔结构的机械模式和固态自旋态之间的频率匹配，此方案距离真正的任意频率的态转换还有一定的差距，限制了在量子网络规模化的实现。
[0004]因此，提出一种自旋态和光子态之间频率无缝连接的态转换方案是一种必然趋势。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统和方法，可以使自旋态与光子态的转换不依赖频率特性，做到自旋态与任意频率的光子相互作用和转换，实现了从自旋态、机械态到光学态的频率无缝连接转化，对于量子网络的规模化、固态化发展具有积极推进作用。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007]一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，包括至少一个量子节点，其中，每个量子节点均包括钻石光力腔结构；
[0008]还包括分别作用在每个钻石光力腔结构上的第一激发装置、第二激发装置和第三激发装置；
[0009]所述第一激发装置用于分别向每个钻石光力腔结构提供第一激发光，所述第二激发装置用于分别向每个钻石光力腔结构提供第二激发光，所述第三激发装置用于分别向每个钻石光力腔结构提供第三激发光；
[0010]对于任一个钻石光力腔结构，用于在对应的第一激发光和第二激发光的共同作用下，完成对应的量子节点从自旋态向机械态的无缝转换或从机械态向自旋态的无缝转换；还用于在对应的第三激发光的作用下，完成对应的量子节点从机械态向光学态的无缝转换或从光学态向机械态的无缝转换。
[0011]本专利技术的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统的有益效果是：整个系统包括至少一个含有钻石光力腔结构的量子节点，配置有第一激发装置分别向每个钻石光力腔结构发出第一激发光，第二激发装置分别向每个钻石光力腔结构发出第二激发光以及第三激发装置分别每个钻石光力腔结构发出第三激发光；在任一个量子节点中，均存在着光学态、机械态和自旋态三种量子态，利用第一激发装置和第二激发装置，在第一激发光和第二激发光的共同作用下，实现任一个量子节点的自旋态向任意频率的机械态的转换；然后关闭第一激发装置和第二激发装置，利用第三激发装置，在第三激发光的作用下，实现任一个量子节点的机械态向任意频率的光学态的无缝转换；或者，对于任一个量子节点，利用第三激发装置，在第三激发光的作用下，实现任一个量子节点的光学态向任意频率的机械态的无缝转换；再利用第一激发装置和第二激发装置，在第一激发光和第二激发光的共同作用下，实现任一个量子节点的机械态向任意频率的自旋态的转换；上述系统由于涉及到同一个机械模式，两种不同情况下所涉及的两个转换过程相继发生，实现了在任意单一量子节点内，以机械态为媒介，光学态、机械态和自旋态相互之间的态转换的频率无缝连接，同时当有多个量子节点时，还有助于多个量子节点内的态转换，实现多量子节点之间态转换的频率无缝连接；
[0012]本专利技术中的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，基于钻石光力腔结构，可以使自旋态与光子态的转换不依赖频率特性，做到自旋态与任意频率的光子相互作用和转换，实现了从自旋态、机械态到光学态的频率无缝连接转化，对于量子网络的规模化、固态化发展具有积极推进作用。
[0013]在上述技术方案的基础上，本专利技术还具有如下改进：
[0014]进一步：在任一个量子节点中，钻石光力腔结构包括表面镶嵌有氮空位色心的钻石光力腔，且氮空位色心包括含有两个跃迁通道的三能级结构；
[0015]则在任一个量子节点中，所述第一激发装置具体用于按照第一预设激发时长，向氮空位色心中的三能级结构的其中一个跃迁通道提供第一激发光；所述第二激发装置具体用于在所述第一激发装置向三能级结构的其中一个跃迁通道提供第一激发光的同时，按照所述第一预设激发时长，向对应的三能级结构的另外一个跃迁通道提供第二激发光；所述第三激发装置具体用于在所述第一激发装置提供第一激发光以及所述第二激发装置提供第二激发光之后，按照第二预设激发时长，向对应的钻石光力腔结构上的钻石光力腔提供第三激发光；
[0016]在任一个量子节点中，氮空位色心具体用于按照所述第一预设激发时长，在对应的第一激发光和第二激发光的同时作用下，完成对应的量子节点从自旋态向任意频率的机械态的转换或从机械态向任意频率的自旋态的转换；钻石光力腔具体用于按照第二预设激
发时长，在对应的第三激发光的作用下，完成机械态向任意频率的光学态的转换或从光学态向任意频率的机械态的转换。
[0017]上述进一步技术方案的有益效果是：在任意单一量子节点的钻石光力腔结构中，量子态之间的频率无缝连接是通过两个物理过程实现，一个是声子辅助的自旋态转换，另一个是光力相互作用；
[0018]当量子节点的初始量子态为自旋态时，则第一个物理过程涉及自旋态和机械态的转换；选取氮空位色心的三个能级构成三能级结构，该三能级结构包含有两个跃迁通道，将第一激发装置发出的第一激发光用于其中一个跃迁通道的激发，协同机械振动模式，第一激发光的频率和拉比频率分别为ω1和Ω1，机械模式的频率和拉比频率ω
m
和Ω
m
；同时将第二激发装置发出的第二激发光用于另一个跃迁通道的激发，第二激发光的频率和拉比频率分别为ω2和Ω2，通过调整两束激发光的频率，两束光都保证第一预设激发时长的驱动时间，保证两个跃迁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，其特征在于，包括至少一个量子节点，其中，每个量子节点均包括钻石光力腔结构；还包括均分别作用在每个钻石光力腔结构上的第一激发装置、第二激发装置和第三激发装置；所述第一激发装置用于分别向每个钻石光力腔结构提供第一激发光，所述第二激发装置用于分别向每个钻石光力腔结构提供第二激发光，所述第三激发装置用于分别向每个钻石光力腔结构提供第三激发光；对于任一个钻石光力腔结构，用于在对应的第一激发光和第二激发光的共同作用下，完成对应的量子节点从自旋态向机械态的无缝转换或从机械态向自旋态的无缝转换；还用于在对应的第三激发光的作用下，完成对应的量子节点从机械态向光学态的无缝转换或从光学态向机械态的无缝转换。2.根据权利要求1所述的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，其特征在于，在任一个量子节点中，钻石光力腔结构包括表面镶嵌有氮空位色心的钻石光力腔，且氮空位色心包括含有两个跃迁通道的三能级结构；则在任一个量子节点中，所述第一激发装置具体用于按照第一预设激发时长，向氮空位色心中的三能级结构的其中一个跃迁通道提供第一激发光；所述第二激发装置具体用于在所述第一激发装置向三能级结构的其中一个跃迁通道提供第一激发光的同时，按照所述第一预设激发时长，向对应的三能级结构的另外一个跃迁通道提供第二激发光；所述第三激发装置具体用于在所述第一激发装置提供第一激发光以及所述第二激发装置提供第二激发光之后，按照第二预设激发时长，向对应的钻石光力腔结构上的钻石光力腔提供第三激发光；在任一个量子节点中，氮空位色心具体用于按照所述第一预设激发时长，在对应的第一激发光和第二激发光的同时作用下，完成对应的量子节点从自旋态向任意频率的机械态的转换或从机械态向任意频率的自旋态的转换；钻石光力腔具体用于按照第二预设激发时长，在对应的第三激发光的作用下，完成机械态向任意频率的光学态的转换或从光学态向任意频率的机械态的转换。3.根据权利要求2所述的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，所述第一预设激发时长为π/2η，所述第二预设激发时长为π/2G；其中，η为等效机械态
‑
自旋态相互作用强度，G为等效光子态
‑
机械态相互作用强度。4.根据权利要求2所述的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，当量子节点的数量大于1时，所述基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统还包括每相连两个量子节点之间耦合连接的微纳光纤；微纳光纤，用于提供每相连的两个量子节点之间的光学态转换的信息传输通道，按照预设传输时长，完成每相连的两个量子节点之间的光学态的无缝转换。5.根据权利要求4所述的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统，其特征在于，所述预设传输时长为其中，g为光学态
‑
光纤耦合系数。6.一种基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换系统进行态转换，包括以下步骤：
步骤1A：对于任一个量子节点，利用第一激发装置发出第一激发光，以及利用第二激发装置发出第二激发光，并将第一激发光和第二激发光同时作用于对应的钻石光力腔结构上，完成对应的量子节点从自旋态向机械态的无缝转换；步骤2A：关闭所述第一激发装置和所述第二激发装置，利用第三激发装置发出第三激发光，并将第三激发光作用于对应的钻石光力腔结构上，完成对应的量子节点从机械态向光学态的无缝转换；或者，步骤1B：对于任一个量子节点，利用所述第三激发装置发出第三激发光，并将第三激发光作用于对应的钻石光力腔结构上，完成对应的量子节点从光学态向机械态的无缝转换；步骤2B：关闭所述第三激发装置，利用所述第一激发装置发出第一激发光，以及利用所述第二激发装置发出第二激发光，并将第一激发光和第二激发光同时作用于对应的钻石光力腔结构上，完成对应的量子节点从机械态向自旋态的无缝转换。7.根据权利要求6所述的基于钻石光力腔的频率无缝连接的态转换方法，其特征在于，在任一个量子节点中，钻石光力腔结构包括表面镶嵌有氮空位色心的钻石光力腔；则所述步骤1A包括：步骤1A1：对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝赫，李贵兰，高红卫，
申请(专利权)人：北京无线电测量研究所，
类型：发明
国别省市：