单光子隔离器的制作方法

本发明涉及量子信息处理技术领域，更为具体地说，涉及一种单光子隔离器。

背景技术：

单光子光隔离在激光防护、集成光学以及特别是量子信息处理中有重要应用。现今大部分理论以及实验方案中利用的激光均为相干光，而实现量子通信与搭建量子网络要用到的更多为单光子，并非是相干光。但是现有技术还没有关于单光子隔离器的相关装置，因而关于单光子隔离相关结构具有很大研发和应用前景。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种单光子隔离器，有效解决有现有技术存在的技术问题，实现单向单光子的入射及反向单光子隔离的目的。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种单光子隔离器，包括：

第一入光端口、第二入光端口和耦合光端口，所述第一入光端口和所述

第二入光端口接入相同信号光，所述耦合光端口产生耦合光；

设置于所述第一入光端口的出光光路上的第一光转换装置，所述第一光转换装置用于将接入的信号光转换为沿第一方向出射的第一偏振光，所述第一偏振光包括第一单光子；

设置于所述第二入光端口的出光光路上的第二光转换装置，所述第二光转换装置用于将接入的信号光转换为沿第二方向出射的第二偏振光，所述第二偏振光包括第二单光子，其中，所述第一方向和所述第二方向相反；

设置于所述耦合光端口的出光光路上的第三光转换装置，所述第三光转换装置用于将接入的耦合光转换为沿第三方向出射的第三偏振光；

以及，设置于所述第一光转换装置、第二光转换装置和第三光转换装置的出光光路上的原子团，其中，所述第一偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级满足电磁诱导透明条件，且所述第二偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级未满足电磁诱导透明条件。

可选的，所述第一偏振光及所述第三偏振光为左旋圆偏振光；

以及，所述第二偏振光为右旋圆偏振光。

可选的，所述第一偏振光及所述第三偏振光位于所述原子团的同侧，且所述第一方向和所述第三方向呈预设角度夹角。

可选的，所述第一光转换装置包括沿所述第一入光端口的出光方向依次设置的：

第一偏振分束器、第一1/4玻片、第一1/2玻片及第一透镜。

可选的，所述第二光转换装置包括沿所述第二入光端口的出光方向依次设置的：

第二偏振分束器、第二1/4玻片、第二1/2玻片及第二透镜。

可选的，所述第三光转换装置包括沿所述耦合光端口的出光方向依次设置的：

第三1/2玻片、第三偏振分束器及第三1/4玻片。

可选的，所述单光子隔离器还包括：

第一单光子探测器，所述第一单光子探测器用于检测所述原子团沿所述第一方向出射的单光子；

以及，第二单光子探测器，所述第二单光子探测器用于检测所述原子团沿所述第二方向出射的单光子。

可选的，所述第一单光子探测器与所述原子团之间还设置有第一法布里-珀罗标准具；

以及，所述第二单光子探测器与所述原子团之间还设置有第二法布里-珀罗标准具。

可选的，所述原子团为rb原子团。

可选的，所述原子团困于二位磁光阱中。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种单光子隔离器，包括：第一入光端口、第二入光端口和耦合光端口，所述第一入光端口和所述第二入光端口接入相同信号光，所述耦合光端口产生耦合光；设置于所述第一入光端口的出光光路上的第一光转换装置，所述第一光转换装置用于将接入的信号光转换为沿第一方向出射的第一偏振光，所述第一偏振光包括第一单光子；设置于所述第二入光端口的出光光路上的第二光转换装置，所述第二光转换装置用于将接入的信号光转换为沿第二方向出射的第二偏振光，所述第二偏振光包括第二单光子，其中，所述第一方向和所述第二方向相反；设置于所述耦合光端口的出光光路上的第三光转换装置，所述第三光转换装置用于将接入的耦合光转换为沿第三方向出射的第三偏振光；以及，设置于所述第一光转换装置、第二光转换装置和第三光转换装置的出光光路上的原子团，其中，所述第一偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级满足电磁诱导透明条件，且所述第二偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级未满足电磁诱导透明条件。

由上述内容可知，本发明提供的技术方案，由于第一偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级满足电磁诱导透明条件，原子团不吸收第一偏振光，因而能够使得第一方向入射的第一单光子成功通过该单光子隔离器；而由于第二偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级未满足电磁诱导透明条件，原子团对第二偏振光进行吸收，因而第二方向入射的第二单光子无法通过该单光子隔离器，最终实现第一单光子的入射及反向第二单光子隔离的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种单光子隔离器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种单光子隔离器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种单光子隔离器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种信号光正向传播时的赛曼子能级图；

图5为本发明实施例提供的一种信号光后向传播时的赛曼子能级图；

图6为本发明实施例提供的一种试验结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，单光子光隔离在激光防护、集成光学以及特别是量子信息处理中有重要应用。现今大部分理论以及实验方案中利用的激光均为相干光，而实现量子通信与搭建量子网络要用到的更多为单光子，并非是相干光。但是现有技术还没有关于单光子隔离器的相关装置，因而关于单光子隔离相关结构具有很大研发和应用前景。

基于此，本发明提供了一种单光子隔离器，有效解决有现有技术存在的技术问题，实现单向单光子的入射及反向单光子隔离的目的。为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下，具体结合图图1至图6对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本发明提供的一种单光子隔离器的结构示意图，其中，本发明提供的单光子隔离器包括：

第一入光端口110、第二入光端口210和耦合光端口310，所述第一入光端口110和所述第二入光端口210接入相同信号光，所述耦合光端口310产生耦合光；

设置于所述第一入光端口110的出光光路上的第一光转换装置120，所述第一光转换装置120用于将接入的信号光转换为沿第一方向出射的第一偏振光，所述第一偏振光包括第一单光子；

设置于所述第二入光端口210的出光光路上的第二光转换装置220，所述第二光转换装置220用于将接入的信号光转换为沿第二方向出射的第二偏振光，所述第二偏振光包括第二单光子，其中，所述第一方向和所述第二方向相反；

设置于所述耦合光端口310的出光光路上的第三光转换装置320，所述第三光转换装置320用于将接入的耦合光转换为沿第三方向出射的第三偏振光；

以及，设置于所述第一光转换装置120、第二光转换装置220和第三光转换装置320的出光光路上的原子团400，其中，所述第一偏振光、第三偏振光和原子团400的原子能级满足电磁诱导透明条件，且所述第二偏振光、第三偏振光和原子团400的原子能级未满足电磁诱导透明条件。

可以理解的，本发明实施例提供的单光子隔离器具有两个入光端口，两个入光端口接入的信号光相同，且两个入光端口可以为耦合头；其中，为了降低损耗，两个入光端口可以采用各自连接的单模光纤接入同一激光器，进而通过单模光纤传输信号光，以减少传输过程中的损耗。同时，可以使用在激光器出光光路设置透镜，将部分平行的激光调整为平行激光，在将激光耦合进单模光纤过程中增大了激光与耦合头耦合效率。

在本发明一实施例中，本发明提供的第一入光端口和第二入光端口可以为反向设置的入光端口。及，本发明提供的所述原子团为rb原子团。以及，本发明提供的所述原子团困于二位磁光阱中。此外本发明对原子团的光学厚度不做具体限制，如其可以为19。

由上述内容可知，本发明提供的技术方案，由于第一偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级满足电磁诱导透明条件，原子团不吸收第一偏振光，因而能够使得第一方向入射的第一单光子成功通过该单光子隔离器继续传播，该方向的透过率接近于1；而由于第二偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级未满足电磁诱导透明条件，原子团对第二偏振光进行吸收，因而第二方向入射的第二单光子无法通过该单光子隔离器，其透过率接近于0，最终实现第一单光子的入射及反向第二单光子隔离的目的。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述第一偏振光及所述第三偏振光为左旋圆偏振光；

以及，所述第二偏振光为右旋圆偏振光。

具体结合图1所示，本发明提供的所述第一光转换装置120包括沿所述第一入光端口110的出光方向依次设置的：

第一偏振分束器121、第一1/4玻片122、第一1/2玻片123及第一透镜124。

可以理解的，在信号光的光子自第一入光端口进入后，第一入光端口首先将光子传输至第一偏振分束器，通过第一偏振分束器转换为线偏振光，之后经过第一1/4玻片转换为圆偏振光，再经过第一1/2玻片改变圆偏振方向后，使其变为左旋圆偏振光，最后通过第一透镜使光束平行地打到原子团上，该左旋圆偏振光包括第一单光子。其中，第一透镜可以为焦距为300mm的透镜。

以及，本发明提供的所述第二光转换装置220包括沿所述第二入光端口210的出光方向依次设置的：

第二偏振分束器221、第二1/4玻片222、第二1/2玻片223及第二透镜224。

可以理解的，在信号光的光子自第二入光端口进入后，第二入光端口首先将光子传输至第二偏振分束器，通过第二偏振分束器转换为线偏振光，之后经过第二1/4玻片转换为圆偏振光，再经过第二1/2玻片改变圆偏振方向后，使其变为右旋圆偏振光，最后通过第二透镜使光束平行地打到原子团上，该右旋圆偏振光包括第二单光子。其中，第二透镜可以为焦距为300mm的透镜。

以及，本发明提供的所述第三光转换装置320包括沿所述耦合光端口310的出光方向依次设置的：

第三1/2玻片321、第三偏振分束器322及第三1/4玻片323。

可以理解的，耦合光端口接入耦合光激光器，耦合光端口将耦合光激光器产生线偏振耦合光输出，线偏振耦合光经过第三1/2玻片及第三偏振分束器后生成线偏振光，而后再经过第三1/4玻片转换为左旋圆偏振光。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述第一偏振光及所述第三偏振光位于所述原子团的同侧，且所述第一方向和所述第三方向呈预设角度夹角。其中，本发明提供的预设角度夹角可以为2.8°夹角，对此本申请不做具体限制。

为了检测原子团出射的单光子，本发明提供的单光子隔离器，在原子团沿第一方向一侧还设置有第一单光子探测器，及在原子团沿第二方向一侧还设置有第二单光子探测器。即，本发明提供的所述单光子隔离器还包括：

第一单光子探测器，所述第一单光子探测器用于检测所述原子团沿所述第一方向出射的单光子；

以及，第二单光子探测器，所述第二单光子探测器用于检测所述原子团沿所述第二方向出射的单光子。

结合图2和图3所示，图2为本发明实施例提供的另一种单光子隔离器的结构示意图，及图3为本发明实施例提供的又一种单光子隔离器的结构示意图，第一单光子隔离器510设置于原子团400沿第一方向的一侧，用于检测所述原子团400沿所述第一方向出射的单光子；以及，第二单光子隔离器520设置于原子团400沿第二方向的一侧，用于检测所述原子团400沿所述第二方向出射的单光子。

进一步的，为了减小耦合光中的噪声，本发明提供的所述第一单光子探测器510与所述原子团400之间还设置有第一法布里-珀罗标准具610；

以及，所述第二单光子探测器520与所述原子团400之间还设置有第二法布里-珀罗标准具620。其中，本发明提供的法布里-珀罗标准具为50％透射，500mhz带宽。

下面结合赛图4至图6所示的曼子能级附图及相应试验结果示意图对本发明提供的技术方案进行更详细的描述；图4为本发明实施例提供的一种信号光正向传播时的赛曼子能级图，图5为本发明实施例提供的一种信号光后向传播时的赛曼子能级图，图6为本发明实施例提供的一种试验结果示意图。需要说明的是，定义信号光自第一入光端口入射为信号光正向传播，信号光自第二入光端口入射为信号光后向传播。|g>、|e>、|s>表示原子能级，|g>能级最低，|e>能级最高，-3、-2、-1、0、+1、+2、+3为mf的取值，mf表示原子精细结构的磁量子数，f和f′表示轨道量子数。及σ⁺表示为左旋圆偏振光，σ^-表示为右旋圆偏振光。以及，图6(b)和图6(c)中横坐标表示信号光的失谐为自-2π*18mhz～+2π*22mhz。

信号光自第一入光端口进入时，相应赛曼子能级示意图如图4所示，在信号光正向传播时，信号光与耦合光及原子能级构成电磁诱导透明(eit)条件，即信号光覆盖|g>到|e>5个简并能级的跃迁，将原子由|g>态抽运到|e>态，而耦合光覆盖|e>到|s>5个简并能级的跃迁，将原子由|e>态抽运到|s>态，于是|ei>(i为-1到+3，i表示赛曼简并能级)成为了暗态，最终表现为耦合光与原子能级共振时，原子不吸收信号光，使得原子对信号光的透射率增加，实现正向低损耗。产生的谱线图图6(b)所示，信号光正向传播时，与耦合光及原子能级构成电磁诱导透明条件，在失谐为0即激光与原子能级共振时出现较高的eit透射峰；图6(b)中点为试验数据，线为理论结果，理论与试验相吻合。

信号光自第二入光端口进入时，相应赛曼子能级示意图如图5所示，在信号光后向传播时，|gi>至|ei-1>至|si-2>(i＝-1到+2，i表示塞曼简并能级)之间满足eit条件，但是|g-2>态没有形成eit条件，所以信号光与耦合光以及原子能级不能构成eit条件，于是在|g-2>至|e-3>的跃迁过程中存在对信号光的吸收，使光子反向射入单光子隔离器时产生衰减。产生的谱线图图6(c)所示，信号光后向传播过程中，透射率在eit窗口中不存在较大的尖峰，这表示在信号光后向传播时，光子大部分被吸收，只有非常小的部分透射；图6(c)中点为试验数据，线为理论结果，理论与试验相吻合。

图6(a)所示为对信号光所测量到的单光子波包。可见在信号光正向传播时大部分光子透过原子团被单光子探测器所接收，正向实现低损耗；而信号光后向传播时波包透射出的光子数非常少，实现反向隔离目的。

以及，为更好体现出单光子隔离器的效果，本发明定义了一个参数为比照率，η，其表达式为

其中，ccfw与ccbw分别指在信号光正向传播与信号光后向传播过程中的符合计数。η取值位于0～1之间，越接近于1代表单光子隔离器的效果越好，本发明试验中可实现η＝0.96，接近1的单光子隔离器的正向透过与反向阻隔的效果与原子团光学厚度有关，相关关系在图6(d)中所示。

本发明提供了一种单光子隔离器，包括：第一入光端口、第二入光端口和耦合光端口，所述第一入光端口和所述第二入光端口接入相同信号光，所述耦合光端口产生耦合光；设置于所述第一入光端口的出光光路上的第一光转换装置，所述第一光转换装置用于将接入的信号光转换为沿第一方向出射的第一偏振光，所述第一偏振光包括第一单光子；设置于所述第二入光端口的出光光路上的第二光转换装置，所述第二光转换装置用于将接入的信号光转换为沿第二方向出射的第二偏振光，所述第二偏振光包括第二单光子，其中，所述第一方向和所述第二方向相反；设置于所述耦合光端口的出光光路上的第三光转换装置，所述第三光转换装置用于将接入的耦合光转换为沿第三方向出射的第三偏振光；以及，设置于所述第一光转换装置、第二光转换装置和第三光转换装置的出光光路上的原子团，其中，所述第一偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级满足电磁诱导透明条件，且所述第二偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级未满足电磁诱导透明条件。

由上述内容可知，本发明提供的技术方案，由于第一偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级满足电磁诱导透明条件，原子团不吸收第一偏振光，因而能够使得第一方向入射的第一单光子成功通过该单光子隔离器；而由于第二偏振光、第三偏振光和原子团的原子能级未满足电磁诱导透明条件，原子团对第二偏振光进行吸收，因而第二方向入射的第二单光子无法通过该单光子隔离器，最终实现第一单光子的入射及反向第二单光子隔离的目的。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。