从原子系统到光子系统的路径纠缠态的转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种从原子系统到光子系统的路径纠缠态的转换方法。
【背景技术】
[0002] 量子通信是近年来兴起的一种新型通信方式。通过将信息编码于具有量子特性的 物理系统，而对信息的处理实际上就是对物理系统量子态的操控。利用系统状态的量子特 性，例如量子纠缠、测量塌缩、量子态不可克隆等，使得量子通信过程较经典通信更加的安 全，高效，抗干扰。随着对量子通信网络研究的深入，人们陆续提出了各种量子通信方法W 解决信息的传输、信息的加密、秘钥的分发、秘密共享等通信问题。
[0003] 目前在实验室可W在光学系统，离子阱系统，腔量子电动力学系统、核磁共振系统 等多重物理系统中产生可用于量子通信的纠缠态。而不同系统中所产生的量子纠缠态，信 息载体各不相同，可W是W原子作为信息载体，也可W是W当个光子作为信息的载体、或者 W相干光束作为信息载体等。不同载体的纠缠态适合于通信的不同过程，例如光子适合于 传输，而原子适合于存储。因此，在通信过程中往往需要将信息从一种载体转换到另一种载 体上，称为量子信息转换(quant皿information transfer)。近年来，人们陆续从理论和实 验室提出了一些量子信息转换的方案。运些方案主要关注于能量态之间的纠缠，而很少设 计路径(或空间）之间纠缠，即目前的理论和实验方案所关注的纠缠态主要有原子系统的能 量态或粒子数态直接的纠缠，光子系统粒子数态或偏振态之间的纠缠，而很少设及到原子 或光子在路径(或空间）之间纠缠。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种从原子系统到光子系统的路径纠缠态的转换方法，能 够从实际的可操作性出发，利用=能级原子与光学腔之间的相互作用，提出一个将原子的 路径纠缠转换为光子的路径纠缠态的方法。
[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种从原子系统到光子系统的路径纠缠态的转换方 法，包括：
[0006] 假设预先制备了一个处于基态的单原子比特态，分别W原子飞行的两种可能路径 作为原子的两个可区分状态，根据所述两个可区分状态写出所述原子的状态；
[0007] 原子飞行的上、下路径上分别放置一个光学腔，分别为光学腔B和光学腔C，使原子 进入光学腔B或C;
[000引在与光学腔B和C的轴线垂直的方向上各装备一台拉比频率为Q p(t)的激光器，将 激光器调整至满足条件之间的相互作用哈密顿量；
[0009] 通过控制累浦光的拉比频率Qp(t)>>gc在绝热近似条件下变化，使得光学腔和 原子所组成的系统由状态I lg，〇>B(U转变为状态I If，1>BW，从而使得原子状态转变为I f >，同时在腔中产生单个光子；
[0010] 将失谐量被设定为A >>Qp(t)，随着腔的衰减，单光子通过作为输出禪合器的 镜片离开光学腔，沿着U(L)方向传播；
[0011]调整原子囚禁装置，将所有原子从腔中释放出来。
[001^ 进一步的，在上述方法中，所述原子的状态写为I 4>=a|u>+引d>，其中|11>和 d>分别表示原子飞行的路径I和路径II，参数a和0为实数，且满足条件a2+护=1，参数a和0 描述了原子比特的所有信息。
[0013] 进一步的，在上述方法中，使原子进入光学腔B或C，包括：
[0014] 当原子处于IU>，将进入光学腔B，反之，则进入光学腔C。
[0015] 进一步的，在上述方法中，原子飞行的上、下路径上分别放置一个光学腔，分别为 光学腔B和光学腔C，使原子进入光学腔B或C的步骤中：
[0016] 在粒子数表象下，原子与光学腔B或C的量子态用直积态I ns，n >来表示，其中，I ns >表示原子模的化ck态，下标s = g，e，f表示原子的能级，|n>代表腔场的化ck态。
[0017] 进一步的，在上述方法中，原子与两个光学腔所组成的系统的状态写为a Ilg,〇>B 0>c+e|0>B|lg，0>c，两个光学腔都只支持一个本征模，且两个腔中的光场都与原子跃迁 / >0 |e >近共振，原子与腔之间的禪合强度为gc，失谐量为Ac=COc-Wf,其中，W C表示 腔场的频率，Wf为原子能级I f>和能级I e>之间的跃迁频率。
[0018] 进一步的，在上述方法中，所述激光器的激光脉冲的频率O P与原子跃迁频率 备>0 |色 >之间的失谐量为A C = W厂W g。
[0019] 进一步的，在上述方法中，所述哈密顿量写为：
[0020] '好巧。=-么|公>< e|+Op倘(|e >< g|+|g >< ej) + ge (?的 复|十彷;|g >< e|)，
[0021] 其中，叫似分别是腔模光子的产生、煙灭算符。
[0022] 与现有技术相比，本发明提出了一个W两能级原子为信息载体的，信息是编码在 原子或光子的空间位置上的，信息从原子系统到光子系统的转换是确定性的，而不是概率 性的，通过原子两个基态之间的绝热受激拉曼跃迁(STIRAP)，在光学腔中产生单光子。本发 明可W在量子秘密共享后重新恢复秘密信息的方法，该方法中，每一位发送者只掌握一部 分的秘密信息，并且秘密信息是通过量子信道传输的，因而具有很好的安全性;该方法设及 到的技术主要是目前实验上较为成熟的利用经典电磁场与单个两能级原子相互作用，实现 对原子状态进行操控的技术，具有实际的可操作性；同时，采用了=原子W型纠缠态作为量 子通道，能够更好的克服环境噪声的影响，具有较强的抗干扰性。本发明与W往很多相关研 究成果多数讨论的是能量态或粒子数态之间的纠缠，与此不同的是，本发明关注的是两个 空间模之间纠缠;本发明中光子是在原子与腔的相互作用过程中产生的，而不需要事先制 备，因而不需要考虑光子的退相干；另外，在STIRAP过程中，没有原子处于激发态，因此，在 此方案中原子的自发福射噪声可W忽略。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明一实施例的从原子系统到光子系统的路径纠缠态的转换方法的单个 原子的能级结构图。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0025] 本发明提供一种从原子系统到光子系统的路径纠缠态的转换方法，包括：
[0026] 步骤SI,假设预先制备了一个处于基态的单原子比特态，分别W原子飞行的两种 可能路径作为原子的两个可区分状态，根据所述两个可区分状态写出所述原子的状态，优 选的，则所述原子的状态写为I 4>=a|u>+引d>，其中|11>和|(1>分别表示原子飞行的 路径巧日路径II，参数a和0为实数，且满足条件a 2+护=1，参数a和0描述了原子比特的所有信 息;具体的，本发明所采用的技术方案中设及的原子为A型=能级原子，能级结构如图1中 所示；
[0027] 步骤S2,原子飞行的上、下路径上分别放置一个光学腔，分别为光学腔B和光学腔 C，使原子进入光学腔B或C，优选的，当原子处于|u>，将进入光学腔B，反之，则进入光学腔 C，优选的，在粒子数表象下，原子与光学腔B或C的量子态用直积态I ns，n>来表示，其中，I ns >表示原子模的化ck态，下标s = g，e，f表示原子的能级，|n>代表腔场的化ck态，因此，优 选的，原子与两个光学腔所组成的系统的状态写为曰山，0>6|0>0+引0>6山，0>^两个光 学腔都只支持一个本征模，且两个腔中的光场都与原子跃迂|/>〇|e>i至共振，原子与腔 之间的禪合强度为gc，失谐量为A C= CO C-Of,其中，COc表示腔场的频率，COf为原子能级If >和能级I e>之间的跃迁频率;详细的，为了将加载与原子路径上的信息a和0转换到光子 的路径上，在原子飞行的上、下路径上分别放置一个光学腔，分别为光学腔B和光学腔C，如1 图所示，当原子处于I u>，将进入光学腔B;反之，则进入光学腔C，在粒子数表象下，原子与 光学腔B或C的量子态用直积态|ns，n>来表示，其中，|]13>表示原子模的化Ck态，下标s = g, e，f表示原子的能级，|n>代表腔场的化Ck态，因此，原子与两个光学腔所组成的系统的状 态写为曰|^，〇>6|〇>0+引0>6|^，0>^两个光学腔