一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及实现方法，该微波光子存储器包括雪茄型冷原子团、微波源、信号调制器、光纤、双色镜、光电倍增管和锁相放大器；微波源产生需要存储的信号微波和辅助微波在信号调制器调制后输入雪茄型冷原子团；雪茄型冷原子团将信号微波存储至原子系综里并在已调制辅助光波的作用下转成光波被读取；光电倍增管用于接收生成光波；锁相放大器从已调制光波信号中恢复波形。本发明专利技术利用里德堡原子可控六波混频过程，将信号微波快速存储为里德堡极化子，在已调制辅助光波的作用下转成光波被读取，最终通过锁相放大器恢复光波波形，通过改变辅助光波入射的时间，从而实现可控宽带的微波光子存储。储。储。

【技术实现步骤摘要】
一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及实现方法


[0001]本专利技术涉及量子存储与中继
，具体涉及一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及实现方法。

技术介绍

[0002]随着量子信息技术不断发展，构建基于固态量子比特的量子网络成为当前的热门研究课题。现阶段基于冷原子系综的量子存储技术是原子基态能级的量子存储方案，常用于耦合光波波段，而微波与基态能级之间的耦合弱，无法实现高效的微波光子存储。里德堡冷原子系综作为一种从微波到光波的高效量子换能器，通过引入微波光子的存储方案，将固态量子比特的信息实现时间可控的相干转换。
[0003]ATS(Autler
–
Townes Splitting)存储最早是基于冷原子三能级Autler
–
Townes效应实现的存储，在强控制光的作用下动态控制ATS对弱信号光的相干吸收，通过ATS峰值的光的受控吸收将信号光存储在原子内部。存储一段时间后,重新打开强控制光便可将存储的信号光读取出来。2018年加拿大Lindsay J.LeBlanc研究组在冷原子体系里面首次实现了光学波段的ATS存储方案，理论上预言在大光学厚度原子团条件下可高达90％的存储效率。ATS存储方案的优点是高带宽，控制光强度弱，所需光学厚度适中，适用于基于里德堡冷原子系综的微波光子存储。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及实现方法，结构简单，灵敏度高，存储带宽大，可行性强。
[0005]本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：
[0006]一方面，本专利技术提供一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器，包括雪茄型冷原子团、微波源、信号调制器、喇叭、光纤耦合头、光纤、双色镜、光电倍增管和锁相放大器；
[0007]微波源产生两个不同频率和电场强度的微波信号，其中包括辅助微波和需要存储的信号微波；信号调制器通过乘法电路调制信号微波和辅助微波的波形，生成已调制的混合微波；喇叭将混合微波信号发射至雪茄型冷原子团内；将探测光与耦合光相向打入雪茄型冷原子团内，激发里德堡原子，雪茄型冷原子团发生里德堡可控六波混频过程中，在辅助微波的作用下，将信号微波存储在里德堡原子中；通过打入辅助光波，即可以将里德堡极化子转换成光波读取出来，通过双色镜分开生成光波和辅助光波；读取出来的光波通过光纤耦合头收集到光纤中，光纤用于传输读取的光波信号，再传输到光电倍增管，光电倍增管用于接收读取出的光波信号，锁相放大器用于从已调制光波信号中恢复生成光波。
[0008]进一步地，锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器，通过信号通道对已调制光波信号进行交流放大和消除干扰噪声，参考通道输出频率参考信号，利用相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，最后通过低通滤波器过滤掉高频信
号，从而恢复波形。
[0009]进一步地，所述光纤耦合头将自由空间的生成光经过滤光片进行滤波后，利用非球面透镜进行缩束再进入到光纤中。
[0010]进一步地，所述光纤为多模光纤，光纤的进光端朝向偏振分束器的一端，光纤的出光端朝向光电倍增管。
[0011]进一步地，所述雪茄型冷原子团是利用二维磁光阱技术囚禁铷87原子形成的具有大光学厚度的形状类似雪茄型的冷原子团，光学厚度越大，其存储的效率越高。
[0012]另一方面，本专利技术提供一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储实现方法，包括以下步骤：
[0013]步骤301、将探测光与耦合光反向打入雪茄型冷原子团内，激发里德堡原子；
[0014]步骤302、由喇叭发射到已调制的需要存储的信号微波和辅助微波，形成一个级联型三能级ATS存储系统，将信号微波转为里德堡极化子；
[0015]步骤303、只打开已调制的辅助光波，将里德堡极化子转为光波信号，通过光电倍增管完成数据采集。
[0016]进一步地，步骤301具体包括：
[0017]利用光纤将两台可调谐激光器产生的探测光和耦合光分别从雪茄型冷原子团两端进入到原子团，探测光和耦合光在雪茄型冷原子团内部重合，在单光子和双光子共振探测光和耦合光的共同作用下，形成了电磁诱导透明窗口。
[0018]进一步地，步骤302具体包括：
[0019]微波源产生两个微波信号经过信号调制器调制后，变为已调制的需要存储的信号微波和已调制的辅助微波，通过功分器将两个微波信号输送到喇叭，通过喇叭将两个微波信号沿耦合光输入方向发送，信号微波共振耦合里德堡态，此时发生里德堡原子对微波的吸收；辅助微波则通过产生强驱动场动态调控该吸收，在辅助微波的动态控制下，信号微波被快速存储为里德堡极化子，并存储在原子系综里。
[0020]进一步地，步骤303具体包括：
[0021]完成存储后，快速关闭探测光、耦合光、信号微波和辅助微波，保持里德堡极化子状态，可控的已调制的辅助光波在里德堡极化子相干时间范围内被传输到雪茄型原子团内，辅助光波方向与探测光入射方向相同，辅助光波的作用是将里德堡极化子转换为光波，从而实现信号微波到光波的转换，同时利用输入时间可控的辅助光波，实现了可控的微波光子的存储过程。
[0022]进一步地，步骤303之后，还包括：
[0023]步骤304、光电倍增管采集到的光波信号，经过锁相放大器恢复光波波形，通过对光波波形进行时间积分，即可以计算出存储的效率。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0025]1、本专利技术基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及实现方法，结合里德堡六波混频技术和ATS存储技术，实现高效率微波光波相干转换，带宽可扩宽到8
‑
9MHz，大大提高了微波光子存储的信道容量。
[0026]2、本专利技术基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及方法，既可通过幅值调制也可通过相位调制来进行信息的传输，且接收的最小电场强度及灵敏度低至纳伏量级，可实
现接近单微波光子水平的存储。
[0027]3、本专利技术基于六波混频的可控宽带微波光子存储器及方法，对比于传输损耗为1dB/m的微波，将微波光子的信息转换为传输损耗为0.3dB/km光波,更便于量子信息的远距离传输。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为本专利技术基于六波混频的可控宽带微波光子存储器的结构示意图；
[0030]图2为本专利技术基于六波混频的可控宽带微波光子存储器实现过程能级结构示意图；
[0031]图3为本专利技术基于六波混频的可控宽带微波光子存储实现方法的流程图。
具体实施方式
[0032]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储器，其特征在于，包括雪茄型冷原子团、微波源、信号调制器、喇叭、光纤耦合头、光纤、双色镜、光电倍增管和锁相放大器；微波源产生两个不同频率和电场强度的微波信号，其中包括辅助微波和需要存储的信号微波；信号调制器通过乘法电路调制信号微波和辅助微波的波形，生成已调制的混合微波；喇叭将混合微波信号发射至雪茄型冷原子团内；将探测光与耦合光相向打入雪茄型冷原子团内，激发里德堡原子，雪茄型冷原子团发生里德堡可控六波混频过程中，在辅助微波的作用下，将信号微波存储在里德堡原子中；通过打入辅助光波，即可以将里德堡极化子转换成光波读取出来，通过双色镜分开生成光波和辅助光波；读取出来的光波通过光纤耦合头收集到光纤中，光纤用于传输读取的光波信号，再传输到光电倍增管，光电倍增管用于接收读取出的光波信号，锁相放大器用于从已调制光波信号中恢复生成光波。2.根据权利要求1所述的基于六波混频的可控宽带微波光子存储器，其特征在于，锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器，通过信号通道对已调制光波信号进行交流放大和消除干扰噪声，参考通道输出频率参考信号，利用相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，最后通过低通滤波器过滤掉高频信号，从而恢复波形。3.根据权利要求1所述的基于六波混频的可控宽带微波光子存储器，其特征在于，所述光纤耦合头将自由空间的生成光经过滤光片进行滤波后，利用非球面透镜进行缩束再进入到光纤中。4.根据权利要求1所述的基于六波混频的可控宽带微波光子存储器，其特征在于，所述光纤为多模光纤，光纤的进光端朝向偏振分束器的一端，光纤的出光端朝向光电倍增管。5.根据权利要求1所述的基于六波混频的可控宽带微波光子存储器，其特征在于，所述雪茄型冷原子团是利用二维磁光阱技术囚禁铷87原子形成的具有大光学厚度的形状类似雪茄型的冷原子团，光学厚度越大，其存储的效率越高。6.一种基于六波混频的可控宽带微波光子存储实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤301、将...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钻娴，涂海涛，廖开宇，边武，颜辉，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：