包括掺杂的多晶陶瓷光学器件的量子存储器系统和量子中继器系统及其制造方法与流程

本申请要求2016年5月13日提交的美国临时申请第62/336,170号的权益和优先权，该文献的详细内容通过引用整体并入本文。本申请还要求2017年3月1日提交的美国临时申请第62/465,372号的权益和优先权，该文献的详细内容通过引用整体并入本文。

背景

本公开涉及量子存储器系统和量子中继器系统。更具体地，本公开引入了用于具有掺杂的多晶陶瓷光学器件的量子存储器系统和量子中继器系统的技术。

技术实现要素：

根据本公开的主题，量子存储器系统包括掺杂的多晶陶瓷光学器件、磁场生成单元和一个或多个泵浦激光器。当磁场生成单元生成磁场时，掺杂的多晶陶瓷光学器件定位于磁场生成单元的磁场内，该一个或多个泵浦激光器光学耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件，并且掺杂的多晶陶瓷光学器件被掺杂有稀土元素掺杂剂，该稀土元素掺杂剂均匀地分布在掺杂的多晶陶瓷光学器件的晶格内。

根据本公开的一个实施例，光学系统包括量子中继器系统、一个或多个磁场生成单元，以及一个或多个泵浦激光器。量子中继器系统包括两个掺杂的多晶陶瓷光学器件和中继器纠缠光学器件。当该一个或多个磁场生成单元生成磁场时，量子中继器系统的每个掺杂的多晶陶瓷光学器件定位于该一个或多个磁场生成单元的磁场内。量子中继器系统的每个掺杂的多晶陶瓷光学器件掺杂有稀土元素掺杂剂，该稀土元素掺杂剂均匀地分布在掺杂的多晶陶瓷光学器件的晶格内。该一个或多个泵浦激光器中的至少一个光学耦合到量子中继器系统的每个掺杂的多晶陶瓷光学器件。此外，中继器纠缠光学器件包括光学地耦合到每个掺杂的多晶陶瓷光学器件的两个纠缠路径和定位成使得每个纠缠路径横穿分束器的分束器。

根据本公开的另一个实施例，制造掺杂的多晶陶瓷光学器件的方法包括混合多个过渡金属配合物和多个稀土金属配合物以形成金属盐溶液，加热金属盐溶液以形成经加热的金属盐溶液，混合经加热的金属盐溶液和有机前体以在经加热的金属盐溶液和有机前体之间引起化学反应，以产生多个掺杂稀土的纳米颗粒，以及烧结该多个掺杂稀土的纳米颗粒以形成掺杂的多晶陶瓷光学器件，该掺杂的多晶陶瓷光学器件具有均匀分布在掺杂的多晶陶瓷光学器件的晶格内的稀土元素掺杂剂。

尽管本文中主要参考一些特定量子存储器系统描述了本公开的概念，但是可以预期这些概念将享有对具有任何配置的量子存储器系统和量子中继器系统的适用性。

附图说明

本公开的特定实施例的以下详细描述能够结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记来指示，而且在附图中：

图1是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的具有有着稀土元素掺杂剂的掺杂的多晶陶瓷光学器件的量子存储器系统的示意图；

图2是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的图1的稀土元素掺杂剂的成形光谱结构的叠加的基态和激发能态的示意图；

图3a是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的用于形成图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件的前体混合物的示意图；

图3b是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的用于形成图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件的多个掺杂稀土的纳米颗粒的示意图；

图3c是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的用于形成图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件的金属盐混合物的示意图；

图3d是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的将有机前体添加到用于形成图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件的加热的金属盐混合物的示意图；

图3e是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的用于形成图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件的多个掺杂稀土的纳米颗粒的示意图；

图4是根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的布置在量子中继器系统中的如图1中所描绘的具有有着稀土元素掺杂剂的多个掺杂的多晶陶瓷光学器件的光学系统；以及

图5示意性地描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的包括多个量子中继器系统的示例光学系统。

具体实施方式

图1是量子存储器系统100的示意图。量子存储器系统100包括掺杂的多晶陶瓷光学器件120、磁场生成单元140、存储光子生成器170和一个或多个泵浦激光器180，例如第一泵浦激光器180a和第二泵浦激光器180b。如下所描述，量子存储器系统100在结构上被配置为例如按需存储和释放一个或多个存储光子，使得量子存储器系统100可以与一个或多个附加量子存储器系统同步以形成例如如图4所描绘的量子中继器系统201。此外，量子存储器系统100的部件(例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120)可以位于包括一个或多个量子中继器系统201的光学系统200中，每个量子中继器系统201包括一对掺杂的多晶陶瓷光学器件120，如图4所描绘。包括一个或多个量子中继器系统201的光学系统200可以在结构上配置成纠缠一对存储光子，每个存储光子由相应的量子存储器系统的掺杂的多晶陶瓷光学器件120存储和释放。此外，本文描述的量子存储器系统100和光学系统200可以结合到一个或多个量子通信系统中，例如，量子密钥生成系统、量子电信系统、量子互联网系统、以及任何其他当前或尚未开发的量子通信系统。

如图1所描绘，量子存储器系统100的掺杂的多晶陶瓷光学器件120包括晶格122并且掺杂有稀土元素掺杂剂130，该稀土元素掺杂剂130均匀地分布在掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶格122内。如本文所用，“均匀分布”是指在晶格内的掺杂剂的分布，诸如稀土元素掺杂剂130，其中掺杂剂的至少50％在远离晶格的晶粒边界的位置处被掺杂到晶格的晶粒中。掺杂的多晶陶瓷光学器件120包括第一端126和第二端128，第二端128可以与第一端126相对。掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括形成为多晶陶瓷的金属氧化物，诸如氧化钇、氧化锆、氧化铪等。例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括氧化钇和氧化锆的组合。作为另一个示例，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括氧化锆和氧化铪的组合，其中氧化铪包括掺杂的多晶陶瓷光学器件120的总分子量的约2％-10％，例如4％、6％、8％等。此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以是透明的。

如图1所描绘，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括掺杂的多晶陶瓷光波导121，其具有多晶陶瓷芯125和围绕多晶陶瓷芯125的包层127。包层127包括低于多晶陶瓷芯125的折射率的折射率，使得横穿多晶陶瓷芯125的光子在多晶陶瓷芯125和包层127之间的芯-包层边界处经历全内反射。当多晶陶瓷芯125和包层127的折射率之间的差值小时，可能期望较大的多晶陶瓷芯125(相对于包层127)，并且当多晶陶瓷芯125和包层127的折射率之间的差值大时，可能期望较小的多晶陶瓷芯125(相对于包层127)。

此外，多晶陶瓷芯125可包括金属氧化物，例如，形成为多晶陶瓷的氧化钇和/或氧化锆。此外，包层127可包括聚合物，例如，uv耐久聚合物、有机基质中的聚合物、或适合作为包层的任何其他已知的或尚待开发的聚合物。作为一个示例，多晶陶瓷芯125包括氧化钇，并且包层127包括聚合物。替代地，包层127可包括多晶陶瓷，例如金属氧化物，例如，形成为多晶陶瓷的氧化钇和/或氧化锆。作为一个示例，多晶陶瓷芯125可以包括氧化钇和氧化锆的组合，并且包层127可以包括氧化钇。此外，掺杂的多晶陶瓷光波导121的多晶陶瓷芯125掺杂有均匀地分布在多晶陶瓷芯125的晶格122内的稀土元素掺杂剂130。此外，尽管掺杂的多晶陶瓷光学器件120被描述为图1中的掺杂的多晶陶瓷光波导121，但应该理解，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括任何光学器件，例如，不包括芯和包层的光学器件。

此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可包括各种形状和大小以促进光子吸收和释放。例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括在第一端126和第二端128之间延伸的长度，该长度在约1cm和约50cm之间，例如，5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm等。此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括在约0.01mm²和约25mm²之间的横截面积，例如，约0.1mm²、0.5mm²、1mm²、2mm²、5mm²、10mm²、15mm²、20mm²等。此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括在约0.1mm和5mm之间的宽度，诸如0.5mm、0.75mm、1mm、2mm、3mm、4mm等，以及在约0.1mm和约5mm之间的高度，诸如0.5mm、0.75mm、1mm、2mm、3mm、4mm等。掺杂的多晶陶瓷光学器件120还可以包括定位在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的光学腔。在操作中，光学腔可以在光学腔内捕获光(诸如存储光子)，直到光被吸收，例如被位于其中的稀土元素掺杂剂130吸收。

掺杂到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶格122中的稀土元素掺杂剂130包括一种或多种稀土元素，例如，一种或多种镧系元素，包括铒、铥、镨、镧、铈、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、镱和镥等，以及诸如钪之类的非镧系元素，以及这些镧系和非镧系稀土元素中的每个的氧化物。此外，稀土元素掺杂剂130可包括掺杂的多晶陶瓷光学器件120的约0.01％至约2％之间的总分子量，例如0.025％、0.05％、0.075％、0.1％、0.125％、0.15％、0.2％、0.25％、0.5％、0.75％、1.0％、1.25％、1.5％、1.75％等。作为一个示例，稀土元素掺杂剂130包括掺杂的多晶陶瓷光学器件120的约0.05％至约0.15％之间的总分子量。

掺杂到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶格122中的稀土元素掺杂剂130可以包括定位于稀土元素掺杂剂130内的成形的光谱结构，该成形的光谱结构包括在多个能量态之间能转移的(例如稀土元素掺杂剂130的一个或多个电子的)叠加。例如，如下面更详细地解释，一个或多个泵浦激光器180可以照射掺杂的多晶陶瓷光学器件120，以在稀土元素掺杂剂130内生成成形的光谱结构。在操作中，例如，当掺杂的多晶陶瓷光学器件120接收由存储光子生成器170发射的一个或多个存储光子和/或由一个或多个泵浦激光器180发射的一个或多个泵浦脉冲时，成形的光谱结构的叠加在能量态之间是可转移的，如在下面更详细地描述。在操作中，稀土元素的离子具有窄的4f-4f跃迁并且具有长的光学相干性，这使得它们适合于在能态之间转移成形的光谱结构的叠加以将存储光子存储在稀土元素掺杂剂130中。此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120还可以掺杂有非稀土元素掺杂剂，诸如mg、ca、sc、ti、v、nb、ta、mo、w、sn和in的氧化物。

此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以通过烧结多个掺杂稀土的纳米颗粒110来形成。该多个掺杂稀土的纳米颗粒110可以包括er³⁺掺杂的y2o3纳米颗粒。可以通过混合多个过渡金属配合物(complexes)112、多个稀土金属配合物114、有机前体116和水(诸如去离子水)来形成该多个掺杂稀土的纳米颗粒110(图3a-3e)。例如，通过使用液相合成(例如，使用下面关于图3a-3e所描述的方法)将er³⁺离子掺杂到纳米颗粒(诸如，y2o3纳米颗粒)中，由烧结这些掺杂稀土的纳米颗粒110形成的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可包括原子均匀分布的稀土离子(例如，er³⁺离子)。

该多个过渡金属配合物112可以是诸如金属氯化物或金属硝酸盐之类的金属盐，包括锆盐、钇盐或其组合。此外，该多个稀土金属配合物114可包括以上描述的稀土元素中的任何稀土元素的金属配合物，例如金属盐。通过使用稀土金属配合物114形成该多个掺杂稀土的纳米颗粒110(例如，直径为200nm或更小)，位于所得到的掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的稀土元素掺杂剂130可以更均匀地分布在掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶格122内，从而改善掺杂的多晶陶瓷光学器件120的性能。此外，有机前体116可包括尿素、氢氧化铵等。

再次参考图1，存储光子生成器170光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120，例如，耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126或第二端128，并且在结构上配置成生成和发射存储光子，例如，纠缠存储光子或非纠缠存储光子。存储光子生成器170包括光子源(例如激光器)、光学耦合到非线性晶体的激光器、参量下转换器等。此外，存储光子生成器170可以使用四波混频过程或生成光子的任何方法或过程来生成和发射存储光子。

在操作中，存储光子生成器170可以生成并发射具有任何波长的存储光子，例如，在约300nm和约10μm之间，例如，500nm、1550nm、2200nm等。作为非限制性示例，由存储光子生成器170发射的存储光子可以包括第一纠缠存储光子，其与由存储光子生成器170同时地发射的第二纠缠存储光子纠缠。在操作中，第一纠缠存储光子可以横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120，并且第二纠缠存储光子可以沿着与掺杂的多晶陶瓷光学器件120分开的路径行进，同时保持与第一纠缠存储光子纠缠。

仍然参考图1，存储光子生成器170可以使用存储光子传输光纤172或其他波导器件被光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120，该存储光子传输光纤172或其他波导器件可以在存储光子生成器170和掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126或第二端128之间延伸。此外，存储光子生成器170可通过例如使用在结构上配置成使存储光子生成器170与掺杂的多晶陶瓷光学器件120光学地对准的一个或多个对准机构142将存储光子生成器170与第一端126或第二端128对准，来光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126或第二端128。该一个或多个对准机构142可包括对准台、光学开关或两者。此外，存储光子生成器170和/或掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以耦合到单独的对准机构142。

该一个或多个泵浦激光器180光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120，并且每个泵浦激光器180在结构上配置成生成和发射泵浦脉冲。该一个或多个泵浦激光器180可以包括任何激光源，例如，二极管激光器、外腔二极管激光器、光纤激光器、染料激光器等。此外，该一个或多个泵浦激光器180可以在结构上配置成发射具有任何波长(例如，在约500nm和约2200nm之间)的泵浦脉冲。此外，由该一个或多个泵浦激光器180生成和发射的泵浦脉冲的波长可以大于由存储光子生成器170生成和发射的存储光子的波长。

此外，如图1所描绘，该一个或多个泵浦激光器180可包括第一泵浦激光器180a和第二泵浦激光器180b。例如，第一泵浦激光器180a可以光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126，第二泵浦激光器180b可以光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第二端128。如图1中描绘，第一泵浦激光器180a可以光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的与存储光子生成器170的相同端(例如，第一端126)，并且第二泵浦激光器180b可以光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的与存储光子生成器170的不同端(例如，第二端128)将第一泵浦激光器180a和第二泵浦激光器180b光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的不同端可以减少在量子存储器系统100的操作期间在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的存储光子的光学散射。

如图1中所描绘，每个泵浦激光器180可以使用泵浦脉冲传输光纤182或其他波导器件来光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120，该泵浦脉冲传输光纤182或其他波导器件可以在每个泵浦激光器180和掺杂的多晶陶瓷光学器件120之间延伸。此外，每个泵浦激光器180可以使用一个或多个对准机构142光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120，该对准机构142在结构上配置成使每个泵浦激光器180与掺杂的多晶陶瓷光学器件120光学地对准。该一个或多个对准机构142可包括对准台、光学开关或两者。此外，该一个或多个泵浦激光器180和/或掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以耦合到单独的对准机构142。

再次参考图1，量子存储器系统100还可以包括光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的波分复用器(wdm)160。具体地，wdm160光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的端部，在其处存储光子离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120。例如，如图1所描绘，wdm160可以光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126。此外，wdm160可以光学地耦合到存储光子路径162和泵浦脉冲路径164两者，例如，wdm160可以定位于掺杂的多晶陶瓷光学器件120的端部(例如，第一端126)与存储光子路径162和泵浦脉冲路径164两者之间。wdm160被配置为将存储光子引导到存储光子路径162中并将泵浦脉冲引导到泵浦脉冲路径164中。例如，wdm160可以将包含存储光子的波长的波长范围的光子引导到存储光子路径162中，并且可以将包含泵浦脉冲的波长的波长范围的光子引导到泵浦脉冲路径164中。此外，存储光子路径162和泵浦脉冲路径164可包括光纤。

存储光子路径162可以在wdm160和存储光子接收器166之间延伸。作为一个非限制性示例，存储光子接收器166可以包括美国专利申请第14/680,522号中描述的量子密钥生成系统的一个或多个光子纠缠链的光纤链路。作为另一个非限制性示例，存储光子接收器166可以包括图4的量子中继器系统201的中继器纠缠光学器件210。此外，泵浦脉冲路径164可以在wdm160和泵浦脉冲接收器168之间延伸。在操作中，第一泵浦脉冲和第二泵浦脉冲可以在泵浦脉冲接收器168处终止，例如，在泵浦脉冲路径164包括光纤的实施例中，泵浦脉冲接收器168可以包括光纤端。

仍然参照图1，量子存储器系统100还可以包括光学循环器150，该光学循环器150光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120，例如耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126。光学循环器150包括三个或更多个光学端口，例如，第一光学端口152、第二光学端口154和第三光学端口156。此外，光学循环器150定位于存储光子生成器170和掺杂的多晶陶瓷光学器件120(例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126)之间，使得光学循环器150的第一光学端口152光学地耦合到存储光子生成器170，并且第二端口光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126。

光学循环器150还可以定位在泵浦激光器180中的至少一个(例如，第一泵浦激光器180a)与掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126之间，使得光学循环器150的第一光学端口152光学地耦合到该一个或多个泵浦激光器180中的至少一个，并且第二光学端口154光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126。例如，如图1中描绘，存储光子生成器170和第一泵浦激光器180a各自光学地耦合到光学循环器150的第一光学端口152，使得由存储光子生成器170输出的存储光子和由第一泵浦激光器180a输出的第一泵浦脉冲进入光学循环器150的第一光学端口152并且朝向掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126离开第二光学端口154。

光学循环器150也可以定位于wdm160和掺杂的多晶陶瓷光学器件120(例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126)之间。此外，光学循环器150的第三光学端口156光学地耦合到wdm160。例如，wdm160定位成邻近并且光学地耦合到光学循环器150的第三光学端口156，使得wdm160在存储光子离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端之后接收存储光子并且可以接收由第一泵浦激光器180a和第二泵浦激光器180b输出的泵浦脉冲中的一个或两个。

如图1中描绘，量子存储器系统100还可以包括热耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的冷却系统190。作为非限制性示例，冷却系统190可以包括冷却腔室并且掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以定位于冷却腔室内。作为另一个非限制性示例，冷却系统190可以包括激光冷却系统，并且掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以光学地耦合到激光冷却系统。应当理解，可以预期在结构上配置成冷却掺杂的多晶陶瓷光学器件120的任何冷却系统190。

仍然参考图1，磁场生成单元140可以包括在结构上和在组成上配置成生成磁场(例如静磁场)的任何磁性器件。作为非限制性示例，磁场生成单元140可包括电磁体、铁磁体、铝磁体、钐钴(smco)磁体、钕铁硼(ndfeb)磁体或其组合。此外，磁场生成单元140定位于量子存储器系统100内，使得当磁场生成单元140生成磁场时，掺杂的多晶陶瓷光学器件120定位于磁场生成单元140的磁场内。例如，磁场生成单元140可以邻近掺杂的多晶陶瓷光学器件120。作为非限制性示例，磁场生成单元140可以在结构上和在组成上配置成生成包括磁通密度在约0.2特斯拉和约5特斯拉之间(诸如约0.4特斯拉、0.5特斯拉、0.6特斯拉、0.65特斯拉、0.7特斯拉、0.8特斯拉、1特斯拉、2特斯拉、2.5特斯拉、3特斯拉、4特斯拉等)的磁场。

如图2中示意性地描绘，当掺杂的多晶陶瓷光学器件120定位于磁场生成单元140的磁场内并且该一个或多个泵浦激光器180已经照射掺杂的多晶陶瓷光学器件120以生成在稀土元素掺杂剂130内的成形的光谱结构时，稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加的基态被分裂，使得稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的每个叠加包括第一分裂基态g1、第二分裂基态g2和激发能态e1。通过分裂稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加的基态，成形的光谱结构的叠加可以转移到第二基态g2，以将存储光子存储在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内，如下所描述。

在操作中，掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120在结构上和组成上配置成吸收和存储由存储光子生成器170发射的存储光子。例如，可以使用由泵浦激光器180输出的一个或多个泵浦脉冲，在掺杂的多晶陶瓷光学器件120中(例如在稀土元素掺杂剂130中)生成成形的光谱结构。例如，成形的光谱结构可以包括原子频率梳(afc)、受控的可逆非均匀展宽(crib)，或任何已知或尚待开发的成形的光谱结构(例如，通过使用光谱孔燃烧形成的成形的光谱结构)。示例性成形的光谱结构在hastings-simon等人的“用于量子态存储的er³⁺掺杂的晶体和非晶波导中的受控斯塔克位移(controlledstarkshiftinginer³⁺-dopedcrystallineandamorphouswaveguidesforquantumstatestorage)”《opticscommunications》，266，716-719页(2006)，afzelius等人的“基于多模量子存储器的原子频率梳(multimodequantummemorybasedatomicfrequencycombs)”，《physicalreviewa》79，052326(2009)和nilsson等人的“通过定制和外部控制的不均匀吸收曲线使用光子的完全吸收和再发射的固态量子存储器(solidstatequantummemoryusingcompleteabsorptionandre-emissionofphotonsbytailoredandexternallycontrolledinhomogeneousabsorptionprofiles)”，《opticscommunications》，247，393-403页(2005)中被描述。

接下来，当存储光子正在横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120时，存储光子可以将稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加从第一分裂基态g1转移到激发能态e1，如图2示意性所示，以吸收存储光子。接下来，在接收到由第一泵浦激光器180a输出的第一泵浦脉冲时，第一泵浦脉冲可以将稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加从激发能态e1转移到第二分裂基态g2，以存储存储光子。而且，来自泵浦激光器的输出可以包括π脉冲。

此外，掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120在结构上和组成上配置成根据需要释放存储在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的存储光子。例如，在接收到由第二泵浦激光器180b输出的第二泵浦脉冲时，稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加从第二分裂基态g2转移回激发能态e1。一旦处于激发能态e1，稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加就将在延迟时段之后自动地释放存储光子，使得存储光子离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120，例如掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126。例如，一旦处于激发能态e1，稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构就将重新定相，并且在延迟时段之后，存储光子将离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120。此外，当第二泵浦激光器180b将第二泵浦脉冲发射到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第二端128中时，存储光子可以离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126，并且当第二泵浦激光器180b将第二泵浦脉冲发射到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一端126中时，存储光子可以离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第二端128。

延迟时段包括一致的、可重复的时间段，因此，在重复操作时，在相同的延迟时段之后释放单独的存储光子。此外，不同的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括相同或不同的延迟时段。作为非限制性示例，包括相同的多晶陶瓷和掺杂剂组分的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括相等的延迟时段。因此，具有相等的延迟时段的一对掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以被布置为图4的光学系统200的量子中继器系统201，并且如果它们各自同时地接收第二泵浦脉冲，则将各自同时地释放存储光子，以便使用图4的中继器纠缠光学器件210来促进存储光子的量子纠缠，如下所描述。此外，可以通过对单独的掺杂的多晶陶瓷光学器件120执行光子回波测量来确定单独的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的延迟时段。

再次参考图1，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括低声子能量(例如，德拜能量)，其可以限制非意图的电子去相位(dephasing)。例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括在约100cm^-1和约800cm^-1之间的声子能量，例如，200cm^-1、300cm^-1、400cm^-1、500cm^-1、600cm^-1、700cm^-1等。电子去相位是指从被捕获的电子轨道到简并或接近简并的轨道的声子辅助耦合。非意图的电子去相位是指通过稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加进入第一基态g1的能态转移(例如，声子辅助耦合)，其在存储光子的期望释放之前导致存储光子的非意图的释放。例如，非意图的电子去相位是指在由掺杂的多晶陶瓷光学器件120接收到第一泵浦脉冲或第二泵浦脉冲之前发生的电子(例如，叠加)去相位。此外，降低非意图的电子去相位可以促进更长的光子存储寿命以及更好的光子存储效率。

通过降低掺杂的多晶陶瓷光学器件120的声子能量，可以增加掺杂的多晶陶瓷光学器件120的光子存储寿命和光子存储效率。光子存储寿命是指在非意图的电子(例如，叠加)去相位导致存储光子被释放之前，存储光子可以保持存储在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的最大时间量。此外，光子存储效率是指横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的存储光子被吸收和存储的百分比。此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120包括低衰减，从而增加光子存储效率。例如，通过将第一泵浦激光器180a和第二泵浦激光器180b光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的相对端，可以通过减少散射来降低衰减，如图1所描绘的。此外，可以通过减少掺杂的多晶陶瓷光学器件120中的空隙数来降低衰减。在一些实施例中，掺杂的多晶陶瓷光学器件120是无空隙的。

此外，在掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶格122内均匀地分布稀土元素掺杂剂130可以防止稀土元素掺杂剂130在掺杂的多晶陶瓷光学器件120的单独晶体之间的晶界处的聚集。均匀分布可以减少自旋-自旋相互作用，从而减少非意图的电子衰变。此外，通过冷却掺杂的多晶陶瓷光学器件120，例如，使用冷却系统190，可以减少掺杂的多晶陶瓷光学器件120的声子数，从而增加掺杂的多晶陶瓷光学器件120的光子存储寿命和光子存储效率。

掺杂的多晶陶瓷光学器件120还可以包括具有约3μn或更小(例如，约1μn或更小)的核磁矩的元素。在操作中，较低的磁矩与较长的光子存储寿命相关，因为具有低核磁矩的元素与稀土元素掺杂剂130的磁偶极-偶极相互作用较小。作为非限制性示例，诸如y、sn和pb的每个包括低磁矩的元素也可以存在于掺杂的多晶陶瓷光学器件120中。此外，可能期望包含具有较高原子量的材料的掺杂的多晶陶瓷光学器件120，因为较重的元素也可以包括较低的声子能量。

掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120还可以包括窄的均匀线宽，这可以增加掺杂有稀有元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的光子存储寿命和光子存储效率。特别地，较窄的均匀线宽与较长的光子存储寿命直接相关。如本文所用，非均匀线宽指的是掺杂的多晶陶瓷光学器件120的稀土元素掺杂剂130的吸收峰(例如，在其处发生最大吸收的波长)的全宽半最大值(fwhm)光谱线宽。掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的非均匀线宽可以包括在约1nm和约25nm之间，在约5nm和15nm之间等，例如，2nm、5nm、10nm、15nm、20nm等。此外，掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的均匀线宽可以包括约7.5mhz或更小，例如，7mhz、6mhz、5mhz、4mhz、3mhz、2mhz、1mhz等。

作为一个非限制性示例，掺杂有包括铒的稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的吸收峰可以在约1510nm和约1550nm之间，例如，在约1535nm和约1545nm之间，诸如1540nm。作为另一个非限制性示例，掺杂有包括铥的稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的吸收峰可以在约1600nm和约1700nm之间，例如，在约1625nm和约1675nm之间，诸如1660nm。此外，在操作中，掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120被配置成在接收到由第一泵浦激光器180a输出的第一泵浦脉冲时吸收并存储横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的存储光子，如上所述，该第一泵浦脉冲包括在吸收峰的波长的15nm内(例如，在10nm内、在5nm内、或等于吸收峰的波长)的波长。此外，掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以在接收到由第二泵浦激光器180b输出的第二泵浦脉冲时释放存储光子，如上所述，该第二泵浦脉冲包括在吸收峰的波长的15nm内(例如，在10nm内、在5nm内、或等于吸收峰的波长)的波长。

光子存储寿命和均匀线宽之间的关系可以用下面的等式在数学上描述：和其中，v1是掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶场的第一空间导数，v2是掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶场的第二空间导数，ρ1是由于v1引起的跃迁的概率幅度，ρ2是由于v2引起的跃迁的概率，c是光速，ρ是主体材料(例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120)的密度，v是晶体中声波的平均速度，是电子(例如，稀土元素掺杂剂130的电子)的基态，以及是电子(例如，稀土元素掺杂剂130的电子)的激发态。此外，声子耦合系数βij可以在数学上描述为其中c是光速，ωi是掺杂的多晶陶瓷光学器件120的均匀线宽，以及ρ1是跃迁的第一阶概率幅度。如上所示，较小(例如，较窄)的均匀线宽生成较小的光子耦合系数。此外，小的声子耦合系数与低声子能量相关，而低声子能量促进较长光子存储寿命。因此，均匀线宽与光子存储寿命成反比，而较窄的均匀线宽促进较长的光子存储寿命。

组合上述等式，均匀寿命也可以在数学上描述为其中c是光速，k是玻尔兹曼常数，t是温度(例如，掺杂的多晶陶瓷光学器件120的温度)，td是德拜温度，ρ1是跃迁的一阶概率幅度，ρ2是跃迁的二阶概率幅度，e是能量水平。

在一些实施例中，稀土元素掺杂剂130可包括非kramers稀土离子，诸如pr³⁺、tm³⁺等。掺杂有非kramers稀土离子的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括比掺杂有kramers稀土离子的掺杂的多晶陶瓷光学器件120更窄的均匀线宽，例如，由于非kramers稀土离子的缺少kramers简并性。这可以增加掺杂的多晶陶瓷光学器件120的光子存储寿命并减少非意图的电子衰变。此外，当稀土元素掺杂剂130包含铥时，当定位在比包含铒的稀土元素掺杂剂130的更弱的磁场内时，包含铥的稀土元素掺杂剂130的电子可分裂成第一基态g1和第二基态g2(图2)。

再次参考图1和图2，预期使用量子存储器系统100存储和释放存储光子的方法。虽然下面以特定的顺序描述该方法，但应该理解可预期其他顺序。现在参考图1，该方法可以首先包括使用磁场生成单元140生成磁场。如上所述，使用磁场生成单元140生成磁场引起掺杂的稀土元素掺杂剂130的电子的基态分裂成第一基态g1和第二基态g2，如图2所描绘。

该方法通过用由一个或多个泵浦激光器180输出的多个泵浦脉冲照射掺杂的多晶陶瓷光学器件120，进一步在掺杂的多晶陶瓷光学器件120的稀土元素掺杂剂130内生成成形的光谱结构。接下来，该方法包括从光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的存储光子生成器170发射存储光子，并且在由掺杂的多晶陶瓷光学器件120接收到存储光子时，掺杂在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的稀土元素掺杂剂130通过将稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加从第一分裂基态g1转移到激发能态e1来吸收存储光子。例如，存储光子可以包括介于约300nm和约10μm之间的波长，例如，500nm、1550nm、2200nm。接下来，该方法还包括从光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件120的第一泵浦激光器180a发射第一泵浦脉冲，使得在由掺杂的多晶陶瓷光学器件120接收到第一泵浦脉冲时，第一泵浦脉冲将稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加从激发能态转移到第二分裂基态g2，以将存储光子存储在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内。

仍然参考图1和图2，该方法还包括从第二泵浦激光器180b发射第二泵浦脉冲，使得在由掺杂的多晶陶瓷光学器件120接收到第二泵浦脉冲时，第二泵浦脉冲将稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加从第二分裂基态g2转移到激发能态e1。一旦回到激发能态e1，稀土元素掺杂剂130的成形的光谱结构的叠加就将在延迟时段之后自动地释放存储光子，使得存储光子离开掺杂的多晶陶瓷光学器件120。

此外，在操作中，量子存储器系统100，更具体地掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以吸收和存储存储光子达光子存储寿命，该光子存储寿命包括在约500ns和约1ms之间，例如约1μs和约1ms之间，或约10μs和约1ms之间。此外，在操作中，量子存储器系统100，并且更具体地掺杂有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以吸收和存储横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的多个存储光子的约50％或更多，例如，横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的多个存储光子的约70％或更多，横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的多个存储光子的约90％或更多等。

现在参考图3a和图3b，预期制造图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的方法。虽然下面以特定的顺序描述该方法，但应该理解可预期其他顺序。如图3a所描绘，该方法首先包括混合多个过渡金属配合物112、多个稀土金属配合物114、有机前体116和水(诸如去离子水)，以形成前体混合物111。该多个过渡金属配合物112可包括金属配合物，诸如金属盐，该金属配合物包括过渡金属，例如锆、钇或其组合。此外，多个过渡金属配合物112的过渡金属可以包括介电材料的立方晶体，并且每个可以包括在约25nm和约250nm之间(例如，50nm、75nm、100nm、125nm、150nm、200nm等)的横截面尺寸(例如，直径)。作为一个示例，该多个过渡金属配合物112可包括ycl3·6h2o。

此外，该多个稀土金属配合物114可包括金属配合物，诸如金属盐，其包括上述稀土元素中的任何稀土元素。作为一个示例，稀土金属配合物114可包括ercl3·6h2o。如上所述，通过使用稀土金属配合物114以形成该多个掺杂稀土的纳米颗粒110，定位于所得到的掺杂的多晶陶瓷光学器件120内的稀土元素掺杂剂130可以更均匀地分布在掺杂的多晶陶瓷光学器件120的晶格122内，从而改善掺杂的多晶陶瓷光学器件120的性能。此外，有机前体116可包括尿素、氢氧化铵等。

作为一个示例，前体混合物111可包括约40g和约80g之间的过渡金属配合物112，例如，约50g、60g、65g、65.53g、70g等。前体混合物111还可包括约0.01g至约0.5g之间的稀土金属配合物114，例如，约0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.35g等。此外，前体混合物111可包括约350g至约450g之间的有机前体116，例如，约375g、388.8g、400g、425g等。此外，前体混合物111可包括约2l至约6l之间的去离子水，例如，约3l、4l、4.32l、5l等。

仍然参考图3a和图3b，该方法还包括将该多个过渡金属配合物112、该多个稀土金属配合物114、有机前体116和去离子水(例如前体混合物111)加热至加热温度达加热时段以诱导有机前体116的热分解并在过渡金属配合物112、稀土金属配合物114和有机前体116之间生成化学反应，以产生多个掺杂稀土的纳米颗粒110，如图3b中所描绘。例如，加热温度可以在约70℃和约100℃之间，诸如约80℃、90℃、95℃等，并且加热时段可以在约0.5小时和约3小时之间，诸如1小时、2小时等。

在操作中，有机前体116(诸如尿素)的热分解可以产生oh^-和co3^2-，其与该多个过渡金属配合物112的过渡金属和该多个稀土金属配合物114的稀土金属反应，以产生该多个掺杂稀土的纳米颗粒110，例如，y1-xerx(oh)co3·h2o纳米颗粒。此外，可以过滤和收集y1-xerx(oh)co3·h2o纳米颗粒，然后在约500℃至约900℃之间(诸如约600℃、700℃、800℃等)的退火温度下退火，以将y1-xerx(oh)co3·h2o掺杂稀土的纳米颗粒110转化为(y1-xerx)2o3掺杂稀土的纳米颗粒110。一旦退火，掺杂稀土的纳米颗粒110就可包括晶体结构。此外，掺杂稀土的纳米颗粒110的化学产率可以在约85％和约98％之间，例如88％、90％、92％、95％等。

可以通过改变前体混合物111中的该多个过渡金属配合物112的浓度来改变该多个掺杂稀土的纳米颗粒110的直径。作为一个示例，当在前体混合物111中的多个过渡金属配合物112的浓度约为0.0125m时，所得到的掺杂稀土的纳米颗粒110的直径可约为100nm。作为另一个示例，当在前体混合物111中的多个过渡金属配合物112的浓度约为0.05m时，所得到的掺杂稀土的纳米颗粒110的直径可约为150nm。此外，可能期望前体混合物111中的该多个过渡金属配合物112小于0.05m，因为如果在前体混合物111中的过渡金属配合物112的浓度大于0.05m，所得到的掺杂稀土的纳米颗粒110可以能非均匀的和附聚的。

此外，可以通过改变前体混合物111中的过渡金属配合物112和稀土金属配合物114的比例来改变该多个掺杂稀土的纳米颗粒110中的稀土元素掺杂剂的量。作为一个示例，当过渡金属配合物112和稀土金属配合物114的比例为约137份多个过渡金属配合物112比约1份多个稀土金属配合物114，得到的掺杂稀土的纳米颗粒110可包括约0.97％的稀土元素掺杂剂。作为另一个示例，当该多个过渡金属配合物112和该多个稀土金属配合物114的比例为约548份多个过渡金属配合物112比约1份多个稀土金属配合物114，得到的掺杂稀土的纳米颗粒110可包括约0.25％的稀土元素掺杂剂。

该方法可以进一步包括使用研磨介质(例如，氧化钇稳定的研磨介质，诸如由日本东京的tosoh公司制造的研磨介质)研磨该多个掺杂稀土的纳米颗粒110。研磨介质可包括约1mm和3mm之间的直径，例如1.5mm、2mm、2.5mm等。此外，可以在研磨过程之前或在研磨过程期间添加附加的材料，诸如，乙醇溶剂、1-丁醇、丙二醇、有机磷酸酯(诸如phosphalon^tmps-236)和去离子水的混合物。在操作中，掺杂稀土的纳米颗粒110可以被研磨达约75小时和约100小时之间，例如，约80小时、85小时、90小时、95小时等。此外，可以使用研磨系统来研磨掺杂稀土的纳米颗粒110。

作为一个示例，可以使用约100g和约150g之间的研磨介质(例如，110g、120g、130g、140g等)研磨约25g的掺杂稀土的纳米颗粒110。此外，在研磨过程之前或在研磨过程期间添加的附加材料可包括约15g和约20g之间的乙醇溶剂，例如，约16g、17g、18g、18.3g、19g等；在约2g和约6g之间的1-丁醇，例如，约3g、4g、4.4g、5g等；在约0.5g和约1.5g之间的丙二醇，诸如约1.0g；在约0.25g和约0.5g之间的有机磷酸酯(诸如phosphalon^tmps-236)，例如约0.3g、0.35g、0.38g、0.4g、0.45g等；以及在约0.5g和约2.5g之间的去离子水，例如，约1g、1.3g、1.5g、2g等。

在操作中，研磨过程将该多个掺杂稀土的纳米粒子110分散成浆料，其可以例如使用筛网在过滤过程期间与研磨介质分离。接下来，可以将一种或多种粘合剂(诸如聚乙烯醇缩丁醛(pvb-b98))和一种或多种增塑剂(诸如邻苯二甲酸二丁酯)添加到具有掺杂稀土的纳米颗粒110的浆料中，然后可以例如使用mazerustar^tm行星式混合器(诸如型号kk-400w)将其混合。接下来，可以例如使用在约25rpm下操作约18-24小时的辊来轧制具有该多个掺杂稀土的纳米颗粒110的浆料，以移除具有掺杂稀土的纳米颗粒110的浆料内的空气。通过移除空气，得到的掺杂的多晶陶瓷光学器件120(例如，使用下面描述的烧结过程形成的)可以是无空隙的。在操作中，可能期望较长的研磨过程(例如约90小时或更长的研磨过程)以减少空隙并增加所得到的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的透明度。

在一些实施例中，具有掺杂稀土的纳米颗粒110的浆料可以例如使用tam液压驱动的带式浇铸机，使用浇铸过程(诸如带式浇铸过程)被浇铸成膜。在浇铸之后，例如通过用覆盖材料覆盖膜可以干燥具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜，使得空气间隙位于膜和覆盖材料之间达干燥时段，例如，在约18小时和约24小时之间，例如20小时、22小时等。接下来，具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜可以在约50℃下在干燥烘箱中被干燥约20-25分钟，这可以去除存在于具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜中的有机物。此外，具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜可以具有约100μm或更小的厚度，例如，约75μm、50μm、25μm、20μm、15μm、10μm等。

制造掺杂的多晶陶瓷光学器件120的方法可以进一步包括烧结该多个掺杂稀土的纳米颗粒110，例如，烧结具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜以形成具有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件，如上所述。在烧结之前，可以将具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜放置在设定器(setter)(诸如氧化铝设定器)上。一旦被放置在设定器上，可以使用烧结炉(诸如cm^tm炉)烧结具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜。

作为一个示例，在烧结过程期间，可以使用以下烧结程序烧结具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜。首先，可以将具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜从室温加热至200℃，持续约1小时的加热时段，然后可以将膜从约200℃加热至约500℃，持续约2小时的加热时段，然后从500℃加热至约1550℃，持续约5小时的加热时段。接下来，具有掺杂稀土的纳米颗粒110的膜可以维持在约1550℃的温度，例如，至少约1500℃或更高的温度，持续约2小时的驻留时段，然后在约3小时的冷却时段上从1550℃冷却至约室温。在操作中，可能期望在烧结过程期间较高的最高温度(例如最高温度为约1550℃或更高)以减少空隙并增加所得到的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的透明度。

在其他实施例中，可以在经历烧结过程之前将该多个掺杂稀土的纳米颗粒110压制成粒料(pellet)。例如，可以将该多个掺杂稀土的纳米颗粒110压制成粒料而不是形成为浆料，然后浇铸成膜。在操作中，可以将该多个掺杂稀土的纳米颗粒110压制(例如，单轴压制、等静压制，或两者)成具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料。具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以在约8k磅的力下在3/4英寸钢模中被单轴地压制和/或使用等压鞘(例如，乳胶等压鞘)在约25kpsi下被等静压制。压制后，可以烧结粒料。在烧结过程期间，可以将粒料在约12小时的时段内从室温加热到最高温度，并且可以在最高温度下保持约2小时。此外，最高温度在约1300℃至1800℃之间，例如，约1400℃、1450℃、1500℃、1515℃、1550℃、1600℃、1615℃、1650℃、1700℃等。接下来，可将粒料冷却回到室温持续约12小时的冷却时段。此外，应当理解，烧结具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料形成具有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120，如上所述。

在烧结之后，还可以在约1400℃和约1800℃之间(例如，约1515℃、1625℃、1650℃等)的温度下热等静压制粒料。此外，具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以在被加热的同时被放置在高压下，例如在约29kpsi下持续约4小时。此外，在热等静压制过程期间，具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以放置在氩气或其他惰性气体中。在一些实施例中，在烧结过程期间达到的最高温度可以大于在热等静压制过程期间达到的最高温度。在热等静压制具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料之后，可以将粒料抛光至例如0.5μm的金刚石光洁度。抛光后，可将粒料在1100℃下在空气中氧化2小时，然后退火。退火可以去除在热等静压制过程期间扩散到粒料中的任何碳。通过将粒料在空气中在约1200℃下退火约12小时，可以去除这种碳污染。然后可以重复退火过程例如持续约4小时。应当理解，烧结具有掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料形成具有稀土元素掺杂剂130的掺杂的多晶陶瓷光学器件120，如上所述。

现在参考图3c-图3e，预期制造图1的掺杂的多晶陶瓷光学器件120的另一种方法。如图3a所描绘，该方法首先包括混合多个过渡金属配合物112、多个稀土金属配合物114和去离子水以形成金属盐溶液115。作为一个示例，金属盐溶液115可包括约40g和约80g之间的过渡金属配合物112，例如，约50g、60g、65g、65.53g、70g等。金属盐溶液115还可包括约0.01g至约0.5g之间的稀土金属配合物114，例如，约0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.35g等。此外，金属盐溶液115可包括约2l至约6l之间的去离子水，例如，约3l、4l、4.32l、5l等。在一个示例中，金属盐溶液115可在约4l去离子水中包括约0.2-0.25摩尔的金属盐(例如，多个过渡金属配合物112和多个稀土金属配合物114)。

仍然参考图3c-图3e，该方法还包括加热金属盐溶液115以形成经加热的金属盐溶液115'。例如，可以将金属盐溶液115加热至约70℃至约100℃的温度，例如约80℃、90℃、100℃等。作为一个示例，经加热的金属盐溶液115'可以被加热至沸腾。接下来，如图3d所描绘，有机前体116可以与经加热的金属盐溶液115'混合，诱导掺杂稀土的纳米颗粒110的形成。在一些实施例中，当与经加热的金属盐溶液115'混合时，有机前体116的温度可以低于经加热的金属盐溶液115'的温度，并且在其他实施例中，有机前体116可以是与经加热的金属盐溶液115'相同的温度或比它更高的温度。

此外，预形成经加热的金属盐溶液115'然后将有机前体116与经加热的金属盐溶液115'混合可以诱导掺杂稀土的纳米颗粒110的形成，该掺杂稀土的纳米颗粒110具有比上面参考图3a和3b描述的使用前体混合物111形成的掺杂稀土的纳米颗粒110小的直径。例如，通过混合有机前体116和经加热的金属盐溶液115'形成的掺杂稀土的纳米颗粒110可以包括200nm或更小，诸如100nm或更小、50nm或更小、40nm或更小、30nm或更小等。尽管不意图受理论限制，但据信混合有机前体116和经加热的金属盐溶液115'产生更多的掺杂稀土的核，从而形成更小的掺杂稀土的纳米颗粒110。

在操作中，有机前体116(诸如尿素)的热分解可以产生oh^-和co3^2-，其与多个过渡金属配合物112的过渡金属和经加热的金属盐溶液115'的多个稀土金属配合物114的稀土金属反应，以产生多个掺杂稀土的纳米颗粒110，例如，y1-xerx(oh)co3·h2o纳米颗粒。此外，可以过滤和收集y1-xerx(oh)co3·h2o纳米颗粒，然后在约500℃至约900℃之间(诸如约600℃、700℃、800℃等)的退火温度下退火，以将y1-xerx(oh)co3·h2o掺杂稀土的纳米颗粒110转化为(y1-xerx)2o3掺杂稀土的纳米颗粒110。一旦退火，掺杂稀土的纳米颗粒110就可包括晶体结构。此外，掺杂稀土的纳米颗粒110的化学产率可以在约85％和约98％之间，例如88％、90％、92％、95％等。

此外，在图3c-3e的方法中，可以通过改变金属盐溶液115中的过渡金属配合物112和稀土金属配合物114的比例来改变多个掺杂稀土的纳米颗粒110中的稀土元素掺杂剂的量。例如，增加金属盐溶液115中的稀土金属配合物114的相对量可以增加所得到的多个掺杂稀土的纳米颗粒110中的稀土元素掺杂剂的量。图3c-3e中描绘的方法可进一步包括使用研磨介质研磨多个掺杂稀土的纳米颗粒110以形成浆料，从浆料中过滤研磨介质，以及向浆料中添加一种或多种粘合剂，如以上关于图3a和3b所描述。

仍然参考图3c-图3e，制造掺杂的多晶陶瓷光学器件120的方法可以接下来包括使用上文关于图3a和图3b描述的任何烧结过程来烧结多个掺杂稀土的纳米颗粒110。在一个示例性过程中，例如使用钢模在约6klbs力至约10klbs力(诸如约8klbs的力)下，可以将多个掺杂稀土的纳米颗粒110压制成掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料。接下来，例如使用乳胶等压鞘，在约20kpsi至约30kpsi(例如25kpsi)下，掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以在室温下等静压制。然后可以在1300℃或更高的烧结温度下烧结掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料，烧结时段持续约1.5小时至约2.5小时，例如约2小时。在烧结之后，然后可以在约15kpsi至约35kpsi(例如，29kpsi)的压力下，在约1300℃至约1600℃(例如，1500℃)的温度下对掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料进行热等静压制，持续约14小时至约18小时(例如，16小时)的热等静压制时段。热等静压制步骤可以在氩气存在下在石墨炉中发生。在热等静压制期间，掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以定位于y2o3粉末(例如，掩埋的)中以减少碳污染。在操作中，热等静压制可以使掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料致密化(例如，增加密度)。在形成之后，可以将掺杂的多晶陶瓷光学器件抛光至约0.5μmra的表面光洁度。

在一个示例性制造过程中，掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可首先在约1550℃的烧结温度下烧结，然后在约1515℃的温度下等静压制。在第二示例性制造过程中，掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以首先在约1550℃的烧结温度下烧结，然后在约1515℃的温度下等静压制。在第三示例性制造过程中，掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料可以首先在约1550℃的烧结温度下烧结，然后在约1515℃的温度下等静压制。在以上三个示例性制造过程的每个中，烧结压力可以为约29kpsi，烧结时段可以为约2小时，并且热等静压制时段可以为约16小时。此外，在三个示例性过程中的每个中，热等静压制温度可以低于烧结过程，这使得在热等静压制期间的晶粒生长最小化。

此外，使用图3c-图3e的制造方法形成的所得到的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以被配置为促进横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的多个光子的约70％至约82％(例如75％、77％、80％、81％、81.5％、81.7％等)的轴向光学透射，每个光子包括约1000nm至约2000nm的波长，诸如约1535nm、1550nm等。此外，该多个光子的散射角可以是约2.5°。掺杂的多晶陶瓷光学器件120的单独晶体可以包括约0.15μm至约2.5μm的晶粒大小(例如，每个晶体的最大尺寸)，例如，约0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm等。此外，掺杂的多晶陶瓷光学器件120的单独晶体的平均晶粒面积可以为约0.25μm²到约0.35μm²，例如，0.26μm²、0.27μm²、0.28μm²、0.29μm²、0.3μm²、0.31μm²、0.32μm²、0.33μm²、0.34μm²等。此外，可以通过在烧结过程期间改变烧结温度来调谐晶粒大小。例如，较高的烧结温度可以形成包括较大晶粒面积的晶体。作为一个示例，当掺杂稀土的纳米颗粒110的粒料在约1550℃的温度下烧结时，掺杂的多晶陶瓷光学器件120的单独晶体可以包括约0.7μm至约2.1μm的晶粒大小。

在操作中，用于形成掺杂的多晶陶瓷光学器件120的烧结温度与在掺杂的多晶陶瓷光学器件120内形成的散射中心(诸如残留孔)的大小和密度相关。较低的烧结温度降低了散射中心的大小和密度，当光子横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120时，散射中心引起散射诱导的衰减。因此，降低散射中心的大小和密度可降低横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的光子的衰减率。当多个光子(诸如存储光子)横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120时，该多个光子的散射引起的衰减可以由透射的散射系数μ来定义，其中tt是该多个光子通过掺杂的多晶陶瓷光学器件120的总光学透射率，ta是横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的该多个光子的轴向光学透射率，且l是掺杂的多晶陶瓷光学器件120的厚度。当散射中心减小时，横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的该多个光子的轴向光学透射率ta增加，并且如此，使用较低的烧结温度形成掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以减少横穿掺杂的多晶陶瓷光学器件120的光子的散射诱导的衰减和整体衰减率。

此外，使用较小直径的掺杂稀土的纳米颗粒110形成的掺杂的多晶陶瓷光学器件120相比使用较大直径的掺杂稀土的纳米颗粒110形成的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以促进更低的衰减率。例如，使用关于图3c-3e描述的制造方法形成的掺杂的多晶陶瓷光学器件120可以包括5db/mm或更小、4db/mm或更小、3db/mm或更小、2db/mm或更小、1db/mm或更小等的衰减率。

现在参考图4，示意性地描绘了包括量子中继器系统201、一个或多个磁场生成单元240和一个或多个泵浦激光器280的光学系统200。量子中继器系统201包括第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b和中继器纠缠光学器件210。此外，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b可各自包括上面关于量子存储器系统100描述的掺杂的多晶陶瓷光学器件120。

例如，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b各自包括第一端226和可与第一端226相对的第二端228。此外，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b掺杂有稀土元素掺杂剂230，其均匀地分布在第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b中的每个的晶格222a、222b内。稀土元素掺杂剂230a、230b可包括上文描述的任何的稀土元素掺杂剂130。此外，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b可以包括掺杂的多晶陶瓷光波导，如上所描述。此外，量子存储器系统100还可以包括热耦合到每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b的冷却系统290。冷却系统290可包括上文描述的冷却系统190中的任意冷却系统。

该一个或多个磁场生成单元250可以包括上文描述的磁场生成单元140。此外，当该一个或多个磁场生成单元250生成磁场时，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b定位于该一个或多个磁场生成单元250的磁场内。此外，尽管在图3中描绘了单个磁场生成单元250，但是应该理解，可以预期任何数量的磁场生成单元250。例如，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b可以定位于不同的磁场生成单元250的磁场内。

仍然参照图4，光学系统200还包括一个或多个存储光子生成器270a、270b，该一个或多个存储光子生成器光学地耦合到每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b，例如，光学地耦合到每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b的第一端226a、226b。例如，第一存储光子生成器270a可以光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a的第一端226a，第二存储光子生成器270b可以光学地耦合到第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226b。该一个或多个存储光子生成器270a、270b可以包括上文描述的存储光子生成器170中的任意存储光子生成器。

此外，该一个或多个泵浦激光器280光学地耦合到掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b。例如，该一个或多个泵浦激光器280可以包括第一泵浦激光器280a和第二泵浦激光器280b(每个被光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a)以及第三泵浦激光器280c和第四泵浦激光器280d(每个被光学地耦合到第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b)。例如，如图3所描绘，第一泵浦激光器280a可以光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a的第一端226a，第二泵浦激光器280b可以光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a的第二端228a，第三泵浦激光器280c可以光学地耦合到第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226b，第四泵浦激光器280d可以光学地耦合到第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第二端228b。此外，该一个或多个泵浦激光器280可包括上文描述的泵浦激光器180中的任意泵浦激光器。

此外，该一个或多个存储光子生成器270a、270b、该一个或多个泵浦激光器280a、280b和/或掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b可以耦合到一个或多个对准机构242以便将该一个或多个存储光子生成器270a、270b和该一个或多个泵浦激光器280与掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b光学地对准。此外，该一个或多个对准机构242可包括上文描述的对准机构142中的任意对准机构。此外，掺杂有稀土元素掺杂剂230a、230b的掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b被配置成吸收和释放存储光子，如上文关于图1和图2所描述的。

光学系统200还可以包括第一wdm260a和第二wdm260b，光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b，例如第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的相应的第一端226a、226b。wdm260a、260b每个可以包括上文描述的wdm160。此外，wdm260a、260b可以光学地耦合到存储光子路径262a、262b和泵浦脉冲路径264a、264b两者，例如，wdm260a、260b可以定位于第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226a、226b与存储光子路径262a、262b和泵浦脉冲路径264a、264b两者之间。

存储光子路径262a、262b可以在wdm260a、260b和中继器纠缠光学器件210之间延伸。例如，第一存储光子路径262a可以在第一wdm260a和中继器纠缠光学器件210的第一纠缠路径212a之间延伸并且光学地耦合第一wdm260a和中继器纠缠光学器件210的第一纠缠路径212a。此外，第二存储光子路径262a可以在第二wdm260b和中继器纠缠光学器件210的第二纠缠路径212b之间延伸并且光学地耦合第二wdm260b和中继器纠缠光学器件210的第二纠缠路径212b。此外，泵浦脉冲路径264a、264b可以在wdm260a、260b和泵浦脉冲接收器268a、268b之间延伸，泵浦脉冲接收器268a、268b可包括上文描述的泵浦脉冲接收器168。

如图4中所描绘，光学系统200还可以包括第一光学循环器250a和第二光学循环器250b，其定位成邻近并且光学地耦合到相应的第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b，例如，耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的相应的第一端226a、226b，如图4中所描绘。第一光学循环器250a和第二光学循环器250b可包括上文描述的光学循环器150中的任意光学循环器。例如，第一光学循环器250a和第二光学循环器250b可各自包括三个或更多个光学端口，例如，第一光学端口252a、252b，第二光学端口254a、254b和第三光学端口256a、256b。

第一光学循环器250a和第二光学循环器250b定位于相应的第一和第二存储光子生成器270a与第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b之间。例如，第一光学循环器250a和第二光学循环器250b的第一光学端口252a、252b光学地耦合到相应的第一存储光子生成器270a和第二存储光子生成器270b，并且第一光学循环器250a和第二光学循环器250b的第二光学端口254a、254b光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的相应的第一端226a、226b。

此外，第一光学循环器250a还可以定位于泵浦激光器280中的至少一个(例如，第一泵浦激光器280a)和第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a(例如，第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a的第一端226a)之间，使得第一光学循环器250a的第一光学端口252a光学地耦合到该一个或多个泵浦激光器280中的至少一个(例如，第一泵浦激光器280a)并且第一光学循环器250a的第二光学端口254a光学地耦合到第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a的第一端226a。例如，如图4中描绘，第一存储光子生成器270a和第一泵浦激光器280a各自光学地耦合到第一光学循环器250a的第一光学端口252a，使得由第一存储光子生成器270a输出的存储光子和由第一泵浦激光器180a输出的泵浦脉冲进入第一光学循环器250a的第一光学端口252a并且朝向第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a的第一端226a离开第二光学端口254a。

此外，第二光学循环器250b还可以定位于泵浦激光器280中的至少一个(例如，第三泵浦激光器280c)和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b(例如，第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226a)之间，使得第二光学循环器250b的第一光学端口252b光学地耦合到该一个或多个泵浦激光器280中的至少一个(例如，第三泵浦激光器280c)并且第二光学循环器250b的第二光学端口254b光学地耦合到第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226b。例如，如图4中描绘，第二存储光子生成器270b和第三泵浦激光器280c各自光学地耦合到第二光学循环器250b的第一光学端口252b，使得由第二存储光子生成器270b输出的存储光子和由第三泵浦激光器280c输出的泵浦脉冲进入第二光学循环器250b的第一光学端口252b并且朝向第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226b离开第二光学端口254b。

第一光学循环器250a和第二光学循环器250b也可以定位于相应的第一wdm260a和第二wdm260b与第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b(例如第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的相应的第一端226a、226b)之间。此外，第一光学循环器250a和第二光学循环器250b的第三光学端口256a、256b光学地耦合到相应的第一wdm260a和第二wdm260b，使得第一wdm260a和第二wdm260b在存储光子离开第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b的第一端226a、226b之后接收存储光子，并且可以接收由第一泵浦激光器280a、第二泵浦激光器280b、第三泵浦激光器280c和第四泵浦激光器280d输出的泵浦脉冲中的一些或全部。

仍然参考图4，量子中继器系统201的中继器纠缠光学器件210每个包括例如使用第一wdm260a和第二wdm260b以及第一存储光子路径262a和第二存储光子路径262b，光学地耦合到每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b的第二端228a，228b的两个纠缠路径212a、212b。两个纠缠路径212a、212b也可以光学地耦合到两个纠缠检测器214a、214b。中继器纠缠光学器件210还包括定位成使得每个纠缠路径212a、212b横穿分束器216的分束器216。此外，两个纠缠检测器214a、214b可各自包括一个或多个单光子检测器，例如，超导纳米线单光子检测器、低噪声光电二极管等。在操作中，中继器纠缠光学器件210在结构上配置成当由每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b输出的存储光子同时地横穿分束器216时纠缠存储光子对。

在操作中，掺杂有稀土元素掺杂剂230a、230b的每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b在结构上和组成上配置成吸收和存储由存储光子生成器270a、270b发射的单独的存储光子。例如，当在每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b的稀土元素掺杂剂230中已经生成成形的光谱结构并且存储光子正在横穿每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b时，每个存储光子可以各自将稀土元素掺杂剂230a、230b的成形的光谱结构的叠加从第一分裂基态g1转移到激发能态e1，如图2中是示意地图示，以便将每个相应的存储光子吸收在每个相应的掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b中。此外，在接收到由第一泵浦激光器280a和第二泵浦激光器280b输出的第一泵浦脉冲时，每个第一泵浦脉冲可以将每个相应的掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b的稀土元素掺杂剂230a、230b的成形的光谱结构的叠加从激发能态e1转移到第二分裂基态g2，以存储每个存储光子。

掺杂有稀土元素掺杂剂230a、230b的每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b还在结构上和组成上配置成根据需要释放存储在每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b内的存储光子。例如，在接收到由第三泵浦激光器280a和第四泵浦激光器280b输出的第二泵浦脉冲时，稀土元素掺杂剂230a、230b的成形的光谱结构的叠加从第二分裂基态g2转移回到激发能态e1。一旦处于激发能态e1，稀土元素掺杂剂230a、230b的成形的光谱结构就将在延迟时段之后自动地释放存储光子，使得存储光子离开每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b，例如每个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b的第一端226a、226b。

此外，如果第三泵浦激光器280c和第四泵浦激光器280d发射由第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b同时地接收到的第二泵浦脉冲(例如，通过同时地发射第二泵浦脉冲)，则第一掺杂的多晶陶瓷光学器件220a和第二掺杂的多晶陶瓷光学器件220b将同时地释放存储光子(在延迟时段之后)，从而允许存储光子同时地横穿中继器纠缠光学器件210的分束器216，使存储光子纠缠。此外，因为掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b包括长光子存储寿命，所以一个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a/220b可以在另一个掺杂的多晶陶瓷光学器件220a/220b吸收和存储第二存储光子之前吸收和存储第一存储光子，从而允许掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b未同时地接收到的存储光子被掺杂的多晶陶瓷光学器件220a、220b同时地释放并通过中继器纠缠光学器件210进行纠缠。

现在参考图5，光学系统200可以布置为纠缠光子生成器301，其在结构上配置成生成四个或更多个纠缠光子，例如两个或更多个纠缠光子对。此外，光学系统200可以定位于量子密钥生成系统(例如，美国专利申请第14/680,522号中描述的量子密钥生成系统)的一个或多个光子纠缠链中。如图5中所描绘，布置为纠缠光子生成器301的光学系统200包括第一量子中继器系统310a、第二量子中继器系统310b、中继器耦合纠缠光学器件370、路径分离器375和纠缠检测器372。此外，第一量子中继器系统310a和第二量子中继器系统310b可以包括上文关于图4描述的量子中继器系统201中的任意量子中继器系统。

在一些实施例中，第一量子中继器系统310a和第二量子中继器系统310b可以包括纠缠光学器件(例如，上文的图4的中继器纠缠光学器件210)，其不包括两个纠缠检测器214a、214b，使得每个纠缠路径212a、212b可以光学地耦合到纠缠光子生成器301的中继器耦合纠缠光学器件370。在其他实施例中，第一量子中继器系统310a和第二量子中继器系统310b可以包括纠缠检测器214a、214b，并且纠缠光子生成器301的中继器耦合纠缠光学器件370例如当纠缠检测器214a、214b在结构上被配置为检测存储光子而在其中没有存储光子终止时，可以光学地耦合到每个纠缠路径212a、212b。

仍然参考图5，中继器耦合纠缠光学器件370可包括光学地耦合到第一量子中继器系统310a和纠缠检测器372并在第一量子中继器系统310a和纠缠检测器372之间延伸的第一纠缠路径371a，以及光学地耦合到到第二量子中继器系统310b和路径分离器375并在第二量子中继器系统310b和路径分离器375之间延伸的第二纠缠路径371a。在包括附加量子中继器系统310的实施例中，预期附加的纠缠路径371。在一些实施例中，中继器耦合纠缠光学器件370还包括定位成使得每个纠缠路径371a、371b横穿分束器373的分束器373。在操作中，中继器耦合纠缠光学器件370在结构上被配置成当多个光子同时地横穿分束器373时纠缠多个光子(例如，存储光子)。例如，当由第一量子中继器系统310a和第二量子中继器系统310b输出的每个纠缠光子对同时地横穿分束器373时，所有四个光子彼此纠缠。

此外，中继器耦合纠缠光学器件370被配置成使得由第一量子中继器系统310a和第二量子中继器系统310b中的每个输出的纠缠光子中的一些或全部被纠缠检测器372和/或路径分离器375接收。例如，当由第一量子中继器系统310a输出第一纠缠光子对并且由第二量子中继器系统310b输出第二纠缠光子对，并且这两个纠缠光子对在分束器373处彼此纠缠时，存在至少三个结果中的一个发生的概率，其通过波函数在数学上被描述为：在第一结果中，纠缠检测器372和路径分离器375两者都接收到四个纠缠光子中的两个，在上述波函数中由右矢|2,2>在数学上描述。在第二结果中，纠缠检测器372接收到四个纠缠光子，在上述波函数中由右矢|4,0>或|4,0>中的一个在数学上描述。在第三结果中，路径分离器375接收到四个纠缠光子，在上述波函数中由右矢|4,0>或|4,0>中的一个在数学上描述。在一些实施例中，路径分离器375接收到四个纠缠光子的概率约为3/8。此外，预期包括附加参量下转换生成器的实施例，使得附加的纠缠光子对(例如，n个纠缠光子)可以通过中继器耦合纠缠光学器件370纠缠。在包括n个纠缠光子的实施例中，n个纠缠光子被纠缠检测器372、路径分离器375或两者的组合接收到的概率通过一般化的右矢在数学上描述为：

此外，在一些实施例中，第一纠缠路径371a和第二纠缠路径371b两者的至少一部分可包括多芯光纤。例如，在分束器373和路径分离器375之间延伸的第一纠缠路径371a的一部分和在分束器373和路径分离器375之间延伸的第二纠缠路径371b的一部分可以各自包括多芯光纤。在一些实施例中，第一纠缠路径371a和第二纠缠路径371b两者的至少一部分可包括一个或多个光波导。

在一些实施例中，路径分离器375在结构上被配置为将纠缠光子对引导到光学地耦合到路径分离器375的光纤链路360中。例如，当路径分离器375接收到四个纠缠光子时，路径分离器375可以将四个纠缠光子中的两个引导到一个光纤链路360中，并且路径分离器375可以将四个纠缠光子中的两个引导到另一个光纤链路360中。光纤链路360可以包括任何光纤，例如包括单个芯或包括多个芯的玻璃光纤。此外，在纠缠光子生成器301被配置为生成多于四个纠缠光子的实施例中，路径分离器375可以将纠缠光子的第一子集(例如，大约一半)引导到一个光纤链路360(例如，第一光纤链路)中并且路径分离器375还可以将纠缠光子的第二子集(例如，大约一半)引导到另一个光纤链路360(例如，第二光纤链路)中。在一些实施例中，路径分离器375可包括熔融的双锥形的锥形分离器、平面光波电路分离器等。

在一些实施例中，纠缠检测器372在结构上被配置为测量由纠缠检测器372接收的光子数量，纠缠检测器372还提供关于由路径分离器375接收的光子数量的信息。例如，如果由第一量子中继器系统310a和第二量子中继器系统310b中的每个输出两个纠缠光子并且零纠缠光子被纠缠检测器372接收到，则所有四个纠缠光子被路径分离器375接收。在一些实施例中，纠缠检测器372可以包括多光子检测器。在替代的实施例中，纠缠检测器372可以包括单光子检测器，例如，超导纳米线单光子检测器、低噪声光电二极管等。

还应注意，本文中对本发明的部件以特定方式“配置”以使特定属性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相反。更特别地，本文提到部件“配置”的方式是指所述组件的存在的物理条件，并且同样地被作为组件的结构特征的明确表述。

为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“大约”来表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定度。本文还采用术语“大约”来表示定量表示可以偏离规定参考值但不会在此问题上导致本发明主题的基本功能改变的程度。

在已经详细描述本公开主题并参考其特定实施例的情况下，应注意本文中公开的各个细节不应被用于暗示这些细节涉及作为本文中描述的各实施例的基本组件的元件，即使在特定元件在说明书附图的每一幅图中示出的情况下也是如此。进一步，显而易见的是，修改和变化而不脱离包括但不限于所附权利要求书所限定的实施例的本公开的范围是可能的。更具体地，虽然本公开的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可构想本公开不一定限于这些方面。

注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的记载，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。