量子存储器设备的制作方法
量子存储器是例如量子计算机的量子信息处理系统的重要部分。当使用光子实现时，量子存储器提供光与物质之间的界面，该界面允许光子量子信息(例如存储的光子的量子态)的存储和检索。
由于具有低热噪声，例如在室温下不受黑体辐射的影响并且受到环境退相干的微弱影响(例如，对于频率为数百兆赫(thz)的光子)，光学光子是量子信息的良好载体。然而，光子的可忽略的相互作用(使它们适于传输量子信息的特性)使得难以存储这种信息，这是为什么量子存储器如此重要的原因。
先前提供量子存储器的尝试包括wo2011/073656中描述的那些。该系统在具有λ级跃迁结构的原子系综中使用拉曼(raman)相互作用，其中两个基态与激发态一起用于光子的存储。然而，由于所使用的光场的交叉耦合，该系统(在寻址量子存储器时以每脉冲大约0.1光子的水平)遭受噪声。
这种噪声水平对量子信息处理中的逻辑门的有效控制具有有害影响。通过使用系统周围的光学腔和/或使用光泵浦可以降低噪声；然而，这使得系统相当复杂并且难以集成到量子信息处理系统中。
本发明的目的是提供一种改进的量子存储器。
当从第一方面看时，本发明提供了一种用于存储一种或多种电磁辐射模式的量子存储器设备，所述量子存储器设备包括：
原子系综，所述原子系综包括具有第一状态、第二状态和第三状态的原子价电子，其中所述第二状态具有比所述第一状态更高的能量并且通过原子跃迁与所述第一状态关联，并且所述第三状态具有比所述第二状态更高的能量并且通过一个或多个原子跃迁与所述第二状态关联；
电磁辐射信号源，所述电磁辐射信号源被布置成产生待存储的一种或多种电磁辐射模式，其具有对应于所述原子系综中的原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振原子跃迁的频率，其中来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式被布置成入射到所述原子系综上，以刺激所述原子系综中的所述原子价电子的在所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁；
一个或多个电磁辐射控制源，每个电磁辐射控制源被布置成产生电磁辐射，所述电磁辐射的频率对应于来自所述一个或多个原子跃迁的将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的非共振原子跃迁，其中来自所述一个或多个控制源的所述电磁辐射被布置成入射到所述原子系综上，以刺激所述原子系综中的所述原子价电子的在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁；
其中，所述量子存储器设备被布置成使得当来自所述信号源的一种或多种电磁辐射模式以及来自所述一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射入射到原子系综时，产生所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的相干激发，所述相干激发将来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式存储在所述原子系综中，并且随后由来自所述一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射入射到原子系综来刺激从原子系综发射所述一种或多种存储的电磁辐射模式；并且
其中，由于由所述信号源和所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射入射到所述原子系综中的所述原子价电子上而导致的剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命的一半。
当从第二方面看时，本发明提供了一种在量子存储器设备中存储和检索一种或多种电磁辐射模式的方法，所述量子存储器设备包括：
原子系综，所述原子系综包括具有第一状态、第二状态和第三状态的原子价电子，其中所述第二状态具有比所述第一状态更高的能量并且通过原子跃迁与所述第一状态关联，并且所述第三状态具有比所述第二状态更高的能量并且通过一个或多个原子跃迁与所述第二状态关联；
所述方法包括：
通过以下步骤将一种或多种电磁辐射模式存储在所述原子系综中：
通过布置由将要入射到所述原子系综上的电磁辐射信号源产生的一种或多种电磁辐射模式来刺激所述原子系综中的所述原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁，其中来自所述信号源的所述电磁辐射的所述频率对应于所述原子系综中的原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振原子跃迁；以及
通过布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上来刺激所述原子系综中的所述原子价电子在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁，其中来自所述一个或多个控制源的所述电磁辐射的所述频率各自对应于来自所述一个或多个原子跃迁的将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的非共振原子跃迁；
其中，来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式以及来自所述一个或多个控制源中的每一者的所述电磁辐射被布置成入射到所述原子系综上，使得产生所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的相干激发，所述相干激发将来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式存储在所述原子系综中；
其中，由于由所述信号源和所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射入射到所述原子系综中的所述原子价电子上而导致的剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命的一半；并且
通过以下步骤来检索已存储在所述原子系综中的所述一种或多种电磁辐射模式：
在由所述信号源产生的所述一种或多种电磁辐射模式已存储在所述原子系综中之后，通过布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上来进一步刺激所述原子系综中的所述原子价电子在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁；
其中，来自所述一个或多个控制源中的每一者的所述电磁辐射被布置成入射到所述原子系综上，以刺激从所述原子系综发射所述一种或多种存储的电磁辐射模式。
本发明因此提供了一种用于存储和检索一种或多种电磁辐射模式的量子存储器设备和方法。所述量子存储器设备包括原子系综，所述原子系综充当用于将要存储的所述电磁辐射模式的存储介质。所述原子系综的所述原子价电子具有多个能量状态以及它们之间的跃迁。这些包括第一状态、第二状态和第三状态，所述第一状态和所述第二状态通过原子跃迁关联，并且所述第二状态和所述第三状态通过一个或多个原子跃迁关联。所述第三状态具有比所述第二状态更高的能量，所述第二状态进而具有比所述第一状态更高的能量，即这三种状态在所述原子系综中具有“阶梯”配置。
所述量子存储器设备还包括电磁辐射信号源和一个或多个电磁辐射控制源，其各自被布置成产生电磁辐射，所述电磁辐射将要入射到所述原子系综上，以刺激所述原子系综中的所述原子价电子的非共振跃迁。由所述信号源(将要存储的所述一种或多种模式)产生的所述电磁辐射具有对应于所述原子系综中的所述原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁的频率。因此，当来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式入射到所述原子系综上时，刺激所述原子系综中的所述原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁。
由所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射各自具有对应于来自所述一个或多个原子跃迁的将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的非共振原子跃迁。因此，当来自所述一个或多个控制源的所述电磁辐射入射到所述原子系综上时，刺激所述原子系综中的所述原子价电子在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁(即经由将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的所述一个或多个原子跃迁)。
所述信号源和所述一个或多个电磁辐射控制源被布置成使得由这些源产生的电磁辐射到所述原子系综中的所述原子价电子上的入射具有剩余的多普勒谱线宽度，其倒数大于所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命的一半(即，1/δwd＞τ13/2，其中δwd是由于由所述信号源和所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射入射到所述原子系综中的所述原子价电子上而导致的剩余的多普勒谱线宽度，并且τ13是所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命)。
所述剩余的多普勒谱线宽度δwd是由信号源和一个或多个控制源产生的电磁辐射的剩余波矢量与原子系综中的原子的热速度的(标量)乘积(即，δwd＝δkv，其中δk是由信号源和一个或多个控制源产生的电磁辐射的剩余波矢量(即来自信号源和一个或多个控制源中每一个的电磁辐射的波矢量的矢量和)，并且v是原子系综中的原子的热速度)。
所述量子存储器设备被配置成使得当来自所述信号源和所述一个或多个控制源的一种或多种电磁辐射模式入射到所述原子系综上时，这产生了所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的相干激发。所述相干激发使得所述设备在所述原子系综中存储来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式(即，将所述模式“写入”到所述量子存储器)。为了检索已存储在原子系综中的一种或多种电磁辐射模式，在存储时间之后(例如，小于第一状态与第三状态之间的相干性的寿命)，随后施加来自一个或多个控制源的将要入射到原子系综上的电磁辐射导致来自原子系综的存储的电磁辐射模式的输出(即，从量子存储器“读取”模式)。
因此，应当理解，本发明的量子存储器设备通过使用原子系综中的原子价电子的“阶梯”跃迁结构而提供了用于在原子系综中存储一种或多种电磁辐射模式的量子存储器。来自信号源的一种或多种电磁辐射模式和来自一个或多个控制源的电磁辐射的入射使得引起第一状态与第三状态之间的跃迁的共振。在没有来自一个或多个控制源的电磁辐射的情况下，原子系综对于来自信号源的一种或多种电磁辐射模式将是透明的(由于信号源电磁辐射的频率与第一状态与第二状态之间的跃迁非共振)。然而，来自一个或多个控制源的电磁辐射的施加产生吸收特征，所述吸收特征将信号源电磁辐射转换成第一状态与第三状态之间的跃迁的相干激发(即同时来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射)。
第一状态、第二状态和第三状态的阶梯结构使得原子系综能够以高位激发(即由第三状态的自发激发产生)存储一种或多种电磁辐射模式，该高位激发甚至高于用于耦合相干激发中的信号场和控制场的中间(第二)状态。优选地，第一状态(例如基态)与第三(最高)状态没有直接耦合(即单个光子跃迁)。
由于量子存储器设备中使用的原子状态的这种“阶梯”配置，该量子存储器设备在高位激励中存储来自信号源的一种或多种电磁辐射模式，系统的热噪声可以大大降低。这是因为第三状态的热粒子数可能非常少(优选地没有)，因为第三状态的能量水平优选地远大于特征热能量标度。
这与在wo2011/073656中描述的量子存储器系统形成对比，该系统在具有λ级跃迁结构的原子系综中使用拉曼相互作用，其中一对低能量(例如基态)状态与较高的辅助状态一起用于光子的存储。由于通过这种布置中使用的两个跃迁而耦合到低能量状态，所以该系统遭受例如由于基态的大热粒子数(因为其能量远小于在例如室温下的特征热能量标度)而产生的噪声，该噪声基本上从本发明的量子存储器设备中去除。
wo2011/073656中公开的拉曼系统也遭受由于控制场与基态的耦合而产生的四波混频噪声，这通过自发拉曼散射导致存储状态的虚假激发(在给定四波混频过程的情况下，所涉及的另外两个波来自从存储器中检索这些虚假激发，如同它们是真实的一样)。这是因为产生所使用的两种跃迁的状态的λ配置具有相似的能量并且两者都耦合到低位，例如基态。
本发明的“阶梯”配置有助于消除来自四波混频的噪声，因为在本发明的量子存储器设备中不存在类似的机制。这是因为第三状态的能量高于第二状态，使得来自一个或多个控制源的电磁辐射无法刺激第一状态与第三状态之间的跃迁。
在第一状态与第二状态之间以及第二状态与第三状态之间使用非共振跃迁(由于信号源电磁辐射以及来自一个或多个控制源的电磁辐射的频率的选择)也可以有助于通过帮助去除荧光噪声来降低噪音。这是因为来自一个或多个控制源的电磁辐射具有的频率之和优选地被选择为(例如远)在第一状态与第二状态之间的跃迁的碰撞谱线宽度之外(如果来自一个或多个控制源的电磁辐射的频率之和在第一状态与第二状态之间的跃迁的碰撞谱线宽度内，那么它将耦合到该跃迁并引起荧光)。
这再次与wo2011/073656中描述的量子存储器系统形成对比，其中两个低位状态之间仅分开几ghz，这意味着控制场和信号场两者都接近于每次跃迁的共振，特别是在碰撞引起的荧光谱线宽度内。这在旨在由信号场刺激的跃迁时导致来自控制场的荧光噪声。
在原子系综中存储电磁辐射模式所涉及的(例如热和/或荧光)噪声的缺乏意味着可能不需要例如使用(例如低温)冷却和/或光泵浦来准备在原子系综中使用的原子价电子的状态，因为(激发的)第二状态和第三状态在室温下是空的。缺乏冷却和/或光泵浦因此有助于提供技术上简单的量子存储器设备。
此外，缺乏光泵浦可以将(例如，存在于wo2011/073656中描述的拉曼相互作用系统中的)屏障去除，以在由光泵浦的辐射俘获所产生的相对高的原子密度下操作。能够以更高的原子密度操作可以有助于实现更高的效率(由于入射电磁辐射与原子系综的原子价电子的相互作用的更大可能性)，即使在本发明的量子存储器设备中采用非共振跃迁的情况下亦是如此。
在第一状态与第二状态之间以及第二状态与第三状态之间使用非共振跃迁从而允许来自信号源的电磁辐射模式在量子存储器中的非共振存储可以允许信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射具有相对大的带宽。如以下将讨论的，这进而可以有助于允许信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射包括短脉冲。
如将看到的，使用短脉冲可以有助于将该设备用作量子存储器，例如使得设备能够快速运行。这可以有助于扩展在存储模式的退相干开始之前能够完成的计算周期的数量，从而有助于提供稳健且可靠的量子存储器。
在一些实施方案中由于使用短脉冲的电磁辐射来入射到原子系综上的能力，(由于使用非共振跃迁)能够以相对大的带宽来操作以有助于提供快速操作有助于克服先前已使用的长期使用的原子状态(具有窄谱线宽度)的量子存储器设备的传统问题，以便在任何大量时间内(例如，足够长以与其它模式的存储同步)实现存储。如上所述，由于设备中缺少噪声，具有与被刺激的原子系综的跃迁不共振的频率的电磁辐射的较低耦合仍然可以允许提供有效的量子存储器设备，该设备可以允许使用更高密度的原子系综，从而补偿较弱的耦合。
此外，由于剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于第一状态与第三状态之间的跃迁的相干激发的寿命的一半，因此信号源电磁辐射与来自一个或多个控制源的电磁辐射的近多普勒抵消有助于减少第一状态与第三状态之间的相干激发的多普勒移相(原子的热运动对寿命的不利影响)。减少任何多普勒频移因此有助于避免必须冷却原子系综并且还有助于维持双跃迁系统(第一状态、第二状态和第三状态的相干激发)。
因此，应当理解，本发明的量子存储器设备可以允许以相对技术上易于实现的有效方式来进行一种或多种电磁辐射模式的量子存储，而没有先前系统中经历的噪声问题。
原子系综可以包括任何合适的和期望的原子。在优选实施方案中，原子系综包括碱金属原子(第1族元素)或碱土金属原子(第2族元素)，例如锶。碱金属原子适用于本发明的量子存储器设备，因为它们仅具有单个价电子，该价电子围绕带正电的核运动，并且可以被激发到第二状态和第三状态，其中这种碱金属原子中的价电子的频谱很好理解、可控制并且适用于本发明的量子存储器设备。优选地，原子系综包括铷原子、铯原子或钠原子。优选地，原子系综仅包含单一类型的原子，例如铷原子、铯原子或钠原子中的一种。
如下所述，原子系综例如由于其温度可以以任何合适和所需的状态来制备。在一个实施方案中，原子系综是固体，例如晶体，例如稀土掺杂的晶体。然而，优选地，原子系综是气体，例如蒸气。提供气态或蒸气形式的原子系综有助于允许信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射与原子系综的原子价电子之间的相互作用的较长的相干时间。例如在未冷却时，这与可能遭受光子诱发的移相(晶格振动)的固态原子系综形成对比。
在优选实施方案中，原子系综包括具有原子价电子的开放价电子层的原子，例如碱金属原子或碱土金属原子。然而，本申请人还认识到，原子系综可以包括惰性气体原子，这些惰性气体原子例如被泵送成激发的亚稳态(例如具有相对长的寿命)，其中这种亚稳态在原子系综中形成原子价电子的第一状态。
可以以任何合适和期望的方式在量子存储器设备中提供原子系综。在优选实施方案中，量子存储器设备包括蒸气单元，原子系综保持在该蒸气单元内。优选地，原子系综(例如蒸气单元)被耦合到一个或多个波导，例如光纤。
优选地，一个或多个波导(例如光纤)被耦合到电磁辐射信号源和/或一个或多个电磁辐射控制源。这方便地允许信号源和一个或多个控制源将它们各自的电磁辐射引导通过一个或多个波导(例如光纤)，以便入射到原子系综上。
此外，应当理解，用于将电磁辐射信号源和/或一个或多个电磁辐射控制源耦合到原子系综的一个或多个波导(例如光纤)的波导几何形状可以有助于增加入射电磁辐射与原子系综中的原子价电子的耦合强度。这可以有助于提高量子存储器的效率并且降低电磁辐射信号源和/或一个或多个电磁辐射控制源的功率，从而有助于使量子存储器设备可扩展(如以下将讨论的，例如扩展成包括多个量子存储器设备的系统)。
原子系综可以以任何合适和期望的方式耦合到一个或多个波导(例如光纤)。优选地，原子系综(例如蒸气单元)被集成到光纤中，例如具有从原子系综的一侧、优选地两侧或更多侧延伸的光纤长度的光纤。这是有助于将原子系综(以及因此量子存储器设备)集成到更大(例如量子信息处理)系统中的特别方便的方式。
原子系综可以以任何合适和期望的方式集成在光纤内。在优选实施方案中，光纤包括空核(例如晶格)，原子系综保持在其内，例如限定了蒸气单元的空核。空核可以是用于保持原子系综的任何合适的和期望类型的空核。优选地，空核由(例如蜂窝或三角(kagome))晶格围绕。在特别优选的实施方案中，光纤包括与(例如，单模式)光纤集成(例如，拼接到其上)的空核光子晶体光纤(例如，具有由晶格围绕的空核)。
原子系综可以保持在任何合适的和期望的温度下以用于量子存储器设备的操作。优选地，原子系综被布置在0摄氏度与200摄氏度之间的温度下，例如在70摄氏度与100摄氏度之间。即使在200摄氏度的温度下，第二状态和第三状态的能级优选地仍然大于特征热能量标度，使得在本发明的量子存储器设备中这些状态的热粒子数非常少。因此，应当理解，不需要原子系综的(例如使用光泵浦的)冷却，这与wo2011/073656中描述的拉曼相互作用系统形成对比，该系统需要冷却以降低所使用的低位状态的热噪声。此外，这些优选的温度包括一定范围，该范围包括和超过至少一些碱金属的熔点(铷的熔点大约为69摄氏度，并且铯的熔点大约为28摄氏度)。
因此，在一个实施方案中，原子系综可以处于例如室温的环境温度下，例如在15摄氏度与25摄氏度之间，例如在大约20摄氏度下。然而，在另一个实施方案中，原子系综被加热，例如加热到70摄氏度与100摄氏度之间。因此，优选地，量子存储器设备包括与原子系综良好热连通的加热器，其中该加热器(例如围绕原子系综的电阻丝)被布置成加热原子系综(例如，加热到70摄氏度与100摄氏度之间)。加热原子系综有助于增加可用于存储电磁辐射模式的原子系综中的原子的数量。
增加可用于存储电磁辐射模式的原子系综中的原子的数量的另一种方法可以是例如使用光致原子解吸来将它们从蒸气单元或纤维芯的壁上解吸。
将要用于量子存储器设备的原子系综中的原子价电子的第一状态、第二状态和第三状态以及它们之间的原子跃迁可以是任何合适的和期望的原子状态和原子跃迁。在优选实施方案中，第一状态是原子系综中的原子价电子的基态中的一种。第二状态高于第一状态，并且第三状态高于第二状态。第一状态经由(单个)原子跃迁(直接)与第二状态关联。第二状态经由一个或多个原子跃迁与第三状态关联。第二状态与第三状态之间的一个或多个原子跃迁可以包括多个原子跃迁。然而，在优选实施方案中，第二状态经由(单个)原子跃迁(直接)与第三状态关联。
在优选实施方案中，第一状态、第二状态和第三状态具有相同的主量子数。优选地，第一状态、第二状态和第三状态具有不同的轨道角动量量子数。优选地，第一状态与第二状态之间的轨道角动量量子数的差值是1。优选地，第二状态与第三状态之间的轨道角动量量子数的差值是1。因此，在特别优选的实施方案中，第一状态的轨道角动量量子数为0(即s状态)。优选地，第二状态的轨道角动量量子数为1(即p状态)。优选地，第三状态的轨道角动量量子数为2(即d状态)。
为了在来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射之间实现所需的实质多普勒抵消(由于入射到原子系综上的电磁辐射的剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于第一状态与第三状态之间的跃迁的相干激发的寿命的一半)，来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射可以以任何合适和期望的配置来布置。因此，当存在多个控制源时，每个控制源可以被布置成将它们各自的电磁辐射在不同方向上引向原子系综，例如只要所有控制源的动量之和在与信号源电磁辐射的方向基本相反的方向上即可。
然而，在优选实施方案中，来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射被布置成以基本相反的方向入射到原子系综上(因此优选地，当存在多个控制源时，来自其的电磁辐射被布置成在基本相同的方向上入射到原子系综上)。优选地，来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射被布置成基本上共线(尽管在不同的方向上)。
将信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射布置成反向传播有助于基本上抵消由这些源入射到原子系综的电磁辐射所引起的任何多普勒频移。应当理解，这种配置在技术上是简单的，例如因为信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射可以被沿着原子系综的任一侧的波导引导，以便从相反方向入射到原子系综上。该配置还为来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射提供较长的相互作用范围(例如，在原子系综的长度上)，因为来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射沿着线而不是在单个点处重叠。
当信号源电磁辐射和控制源电磁辐射反向传播时，优选地，由信号源产生的电磁辐射的频率与由一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率之和相差小于百分之十。这有助于确保由于由所述信号源和所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射入射到所述原子系综中的所述原子价电子上而导致的剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命的一半。
优选地，由于由所述信号源和所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射入射到所述原子系综中的所述原子价电子上而导致的剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于(例如，两倍于)所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命。
由于来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射之间的实质多普勒抵消，例如由于由信号源产生的电磁辐射的频率与由一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率之和相差小于百分之十，优选地因此第一状态、第二状态和第三状态在能量(和因此频率)上相对于彼此布置。因此优选地(例如，当来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播时)，第一状态与第二状态之间的跃迁的频率与第二状态与第三状态之间的跃迁的频率相差小于百分之十，例如小于百分之六、例如小于百分之四、例如小于百分之二。
应当理解，用于本发明的量子存储器设备的原子系综的状态和跃迁优选地取决于原子系综的组成(即原子系综中原子的类型)，使得信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射能够刺激第一状态与第二状态之间以及第二状态与第三状态之间的非共振跃迁。因此，取决于将要使用的原子系综中可用的跃迁的频率，例如，可以选择从第二状态到达适当的第三状态所使用的一个或多个跃迁的数量，使得(例如，当来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播时)这些状态的频率总和在第一状态与第二状态之间的跃迁频率的百分之十之内。
在特别优选的实施方案中，原子系综包括铷原子；第一状态是铷的5s状态，第二状态是铷的5p状态，并且第三状态是铷的5d状态。因此，优选地，信号源电磁辐射被布置成刺激铷的5s至5p跃迁，并且来自一个或多个控制源的电磁辐射被布置成刺激铷的5p至5d跃迁。应当理解，铷中的5s至5p跃迁的频率(大约384thz或780nm)几乎与铷中的5p至5d跃迁的频率(大约386thz或776nm)简并。
如下所述，当来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播时，跃迁和入射到原子系综上的电磁辐射的频率的这种接近简并有助于减少第一状态与第三状态之间的相干激发的多普勒移相(原子的热运动对寿命的不利影响)。应当理解，(除了铷之外的)其它原子种类可以具有带有类似特性的状态和跃迁。因此，也可以例如在诸如铯的其它碱金属中使用具有适当特性的对应状态和跃迁，这是合适的和期望的。
尽管跃迁和入射到原子系综上的电磁辐射的动量(以及例如频率)彼此足够接近，以在至少优选的实施方案中提供有利的多普勒抵消，优选地，跃迁频率和入射到原子系综上的电磁辐射的相应频率不相等。跃迁频率的这种分离(以及因此没有重叠)再次有助于允许电磁辐射入射到将是宽频带的原子系综上，因为来自每个源的电磁辐射不需要具有较窄的带宽来使得能够进行将要区分的(在第一状态与第二状态之间以及在第二状态与第三状态之间的)不同跃迁，如在wo2011/073656中公开的布置中的情况。
还应理解，例如，当来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播以及跃迁频率和入射电磁辐射的相应频率优选地不相等时，优选地，来自信号源的电磁辐射的频率不等于来自一个或多个控制源的电磁辐射的频率之和。这种频率差异有助于减少将来自一个或多个控制源的电磁辐射耦合到第一状态与第二状态之间的跃迁(以及因此该跃迁的荧光)，并且类似地减少来自信号源的电磁辐射到第二状态与第三状态之间的跃迁的耦合。这种交叉耦合的缺乏因此有助于减少量子存储器设备的荧光噪声和四波混频。因此，优选地，来自信号源的电磁辐射具有在第二状态与第三状态之间的跃迁的碰撞谱线宽度之外的频率。优选地，另外，来自一个或多个控制源的电磁辐射具有在第一状态与第二状态之间的跃迁的碰撞谱线宽度之外的频率总和。
在优选实施方案中，例如当来自信号源的电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播时，来自信号源的电磁辐射的频率与来自一个或多个控制源的电磁辐射的频率之和之间的差异(以及因此优选地，第一状态与第二状态、第二状态与第三状态的对应跃迁之间的频率差异)(例如，十倍以上)大于来自信号源的电磁辐射的频率和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射的频率之和与它们所刺激的相应跃迁的非共振的(失谐的)频率。
例如，在使用铷中的5s-5p-5d跃迁的实施方案中，5s-5p跃迁与5p-5d跃迁之间的频率差异大约为2thz，这允许相对较大的失谐(例如，如下所述，高达100ghz)，使得能够使用宽带源(以及因此短脉冲)的电磁辐射。此外，不同跃迁频率的这种分离有助于确保即使在入射电磁辐射的相对较大的失谐的情况下，例如由于来自不同信号和控制源的电磁辐射位于所使用的跃迁的碰撞引起的荧光谱线宽度之外，也几乎没有任何荧光噪声的风险。然而，尽管如此，优选地，入射电磁辐射的频率彼此足够接近以提供必要的多普勒抵消。
第一状态(当不是基态时)、第二状态和第三状态的(荧光)寿命可以是任何合适的和期望的持续时间。在优选实施方案中，第三状态的寿命大于10ns，例如，大于50ns、例如大于100ns、例如大于200ns。优选地，第二状态的寿命(例如，显著)大于来自信号源的电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射的失谐(非共振)的倒数。
尽管至少在优选实施方案中，第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命可能相对较短，但是应当理解，这可以足够长以例如取决于对设备的时钟频率在原子系综中存储和检索一种或多种电磁辐射模式。还应当理解，当原子系综包括铷原子并且第三状态是5d状态时，该状态的寿命(这是相干激发的寿命中的限制因素)大约为240ns，这可能是足以在原子系综中存储和检索一种或多种电磁辐射模式的长度，并且也可能足够长以使得能够同步多个量子存储器设备。
假设长寿命的第一状态(例如，当第一状态是亚稳态或基态时)，相干激发的寿命(例如，来自信号源的一种或多种电磁辐射模式的最大时间可以存储在量子存储器设备中)最终受到第三状态的自发发射(荧光)寿命的限制(例如，当在入射到原子系综上的电磁辐射之间存在实质多普勒抵消时，使得多普勒移相被抑制)。因此，优选地，第三状态的寿命大于第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命，例如比第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命大两倍。
被布置成产生电磁辐射的电磁辐射信号源可以以任何合适和期望的方式来提供，该电磁辐射具有对应于原子系综中的原子价电子的第一状态与第二状态之间的非共振原子跃迁的频率并且被布置成刺激该非共振原子跃迁。在优选实施方案中，电磁辐射信号源包括激光器。因此，优选地，激光器被布置成例如沿着波导(例如光纤)引导其产生的将要入射到原子系综上的电磁辐射。
电磁辐射信号源可以具有对应于所述原子系综中的所述原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁的任何合适的和期望的频率。在优选实施方案中，由信号源产生的电磁辐射的频率大约为384thz或780nm(即对应于铷中的5s至5p跃迁)。
如所指出的，由信号源产生的电磁辐射的频率与原子系综中的原子价电子的第一状态与第二状态之间的跃迁失谐(非共振)。在优选实施方案中，由信号源产生的电磁辐射的频率与原子系综中的原子价电子的第一状态与第二状态之间的跃迁的频率失谐(非共振)在5ghz与100ghz之间，例如大约50ghz。优选地，信号源电磁辐射与第一状态与第二状态之间的跃迁的频率的失谐大约是信号源电磁辐射的带宽的十倍。另外，优选地，信号源电磁辐射和第一状态与第二状态之间的跃迁的频率失谐大于多普勒谱线宽度(例如，在任何多普勒抵消之后)和例如超精细分裂。
来自信号源的电磁辐射的第一状态与第二状态之间的跃迁的这种失谐可以允许信号源电磁辐射中的带宽(并且因此在将要存储在原子系综中的电磁辐射的模式中)在1mhz与1.7thz之间，例如在100mhz与1thz之间、例如在1ghz与1thz之间、例如适应大约100ghz(例如，对应于大约10ps的脉冲持续时间)。因此，在优选实施方案中，信号源电磁辐射具有在1mhz与1.7thz之间的带宽，例如在100mhz与1thz之间、例如在1ghz与1thz之间、例如大约100ghz的带宽。这平衡了信号源电磁辐射与在原子系综中有效地存储的一种或多种电磁辐射模式所需的第一状态与第二状态之间的跃迁之间的耦合强度，其中信号源电磁辐射的有用带宽和脉冲持续时间例如能够以足够高的重复(“时钟”)频率来进行操作，使得它可以使得多个量子存储器设备能够同步。
电磁辐射信号源可以被布置成产生电磁辐射，该电磁辐射以任何合适和期望的方式入射到原子系综上。在优选实施方案中，信号源被布置成产生电磁辐射脉冲。因此，优选地，入射到原子系综上的信号源电磁辐射是脉冲的。
优选地，来自电磁辐射信号源的电磁辐射脉冲的带宽在1mhz与1.7thz之间，例如在100mhz与1thz之间、例如在1ghz与1thz之间、例如大约100ghz。优选地，信号源电磁辐射的脉冲具有在20ps与500ps之间、例如大约50ps的持续时间。提供短脉冲允许量子存储器设备以高时钟频率操作，从而有助于使得多个量子存储器设备能够同步。例如，应当理解，至少在优选实施方案中，这种持续时间脉冲可以比原子系综的存储状态的寿命(第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命)更短。这可以因此允许在该存储状态的寿命内(例如，给定的适当的高时钟频率)多次尝试存储和检索原子系综中的一种或多种电磁辐射模式。
各自被布置成产生电磁辐射的一个或多个电磁辐射控制源可以以任何合适和期望的方式来提供，该电磁辐射具有对应于来自将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的一个或多个原子跃迁的非共振原子跃迁的频率并且被布置成刺激该非共振原子跃迁。一个或多个电磁辐射控制源可以包括多个控制源，例如对应于原子系综中的原子价电子的第二状态与第三状态之间的多个原子跃迁(并且优选地具有与该多个原子跃迁的一对一匹配)。
然而，优选地，量子存储器设备包括(例如仅)(单个)控制源，例如对应于第二状态与第三状态之间的(单个)跃迁。因此，在特别优选的实施方案中，量子存储器设备包括被布置成产生电磁辐射的电磁辐射控制源，所述电磁辐射具有对应于原子系综中的原子价电子的第二状态和第三状态之间的非共振原子跃迁的频率，其中来自控制源的电磁辐射模式被布置成入射到原子系综上，以刺激原子系综中的原子价电子的在第二状态与第三状态之间的非共振跃迁。
在优选实施方案中，一个或多个电磁辐射控制源各自包括激光器。因此，优选地，一个或多个激光器各自被布置成例如沿着波导(例如光纤)引导其产生的将要入射到原子系综上的电磁辐射。
一个或多个电磁辐射控制源可以各自具有对应于来自原子系综中的原子价电子的第二状态与第三状态之间的一个或多个原子跃迁的非共振跃迁的任何合适的和期望的频率。在优选实施方案中，由一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率之和(例如，(单个)控制源的频率)大约为386thz或776nm(即对应于铷中的5p至5d跃迁)。
如所指出的，由一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率或频率之和与原子系综中的原子价电子的第二状态与第三状态之间的跃迁失谐(非共振)。在优选实施方案中，由一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率或频率之和与原子系综中的原子价电子的第二状态与第三状态之间的跃迁的频率失谐(非共振)在5ghz与100ghz之间，例如大约50ghz。优选地，一个或多个控制源的电磁辐射和第二状态与第三状态之间的跃迁频率的失谐大约是例如一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射的带宽的十倍。
这可以允许来自一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射中(并且因此在将要存储在原子系综中的电磁辐射的模式中)的带宽在1mhz与1.7thz之间，例如在100mhz与1thz之间、例如在1ghz与1thz之间、例如适应大约100ghz(例如，对应于大约10ps的脉冲持续时间)。因此，在优选实施方案中，来自一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射具有在1mhz与1.7thz之间的带宽，例如在100mhz与1thz之间、例如在1ghz与1thz之间、例如大约100ghz的带宽。这平衡了来自一个或多个控制源的电磁辐射与形成第一状态与第三状态之间的跃迁的相干激发所需的第二状态与第三状态之间的一个或多个跃迁的耦合强度，其中来自一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射的有用带宽和脉冲持续时间例如能够以足够高的重复(“时钟”)频率来操作，使得它可以使得多个量子存储器设备能够同步。
尽管当电磁辐射的频率与相应跃迁的共振频率失谐时，来自信号源和/或一个或多个控制源的电磁辐射与它们被布置成刺激的相应跃迁之间的耦合强度减小，但这可以能够通过增加原子系综的密度来进行补偿。优选地，原子系综的密度在1012与1015原子/cm3之间(例如，当原子系综包括蒸气或气体时)。增加原子系综的密度以是可能的，因为至少在优选实施方案中，可能不需要使用光泵浦来制备原子系综。此外或可替代地，可以增加来自一个或多个控制源的电磁辐射的强度。
信号源和一个或多个控制源的宽带性质本身被认为是新颖的和创造性的。因此，当从第三方面看时，本发明提供了一种用于存储一种或多种电磁辐射模式的量子存储器设备，所述量子存储器设备包括：
原子系综，所述原子系综包括具有第一状态、第二状态和第三状态的原子价电子，其中所述第二状态具有比所述第一状态更高的能量并且通过原子跃迁与所述第一状态关联，并且所述第三状态具有比所述第二状态更高的能量并且通过一个或多个原子跃迁与所述第二状态关联；
电磁辐射信号源，所述电磁辐射信号源被布置成产生待存储的一种或多种电磁辐射模式，其具有对应于所述原子系综中的原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振原子跃迁的频率，其中来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式被布置成入射到所述原子系综上，以刺激所述原子系综中的所述原子价电子的在所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁，并且其中所述信号源电磁辐射的带宽大于1ghz；
一个或多个电磁辐射控制源，每个电磁辐射控制源被布置成产生电磁辐射，所述电磁辐射的频率对应于来自所述一个或多个原子跃迁的将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的非共振原子跃迁，其中来自所述一个或多个控制源的所述电磁辐射被布置成入射到所述原子系综上，以刺激所述原子系综中的所述原子价电子的在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁，并且其中来自所述一个或多个控制源中的每一者的所述电磁辐射的带宽大于1ghz；并且
其中，所述量子存储器设备被布置成使得在来自所述信号源的一种或多种电磁辐射模式以及来自所述一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射入射到所述原子系综时，产生所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的相干激发，所述相干激发将来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式存储在所述原子系综中，并且随后由来自所述一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射入射到所述原子系综来刺激从原子系综发射一种或多种存储的电磁辐射模式。
当从第四方面看时，本发明提供了一种在量子存储器设备中存储和检索一种或多种电磁辐射模式的方法，所述量子存储器设备包括：
原子系综，所述原子系综包括具有第一状态、第二状态和第三状态的原子价电子，其中所述第二状态具有比所述第一状态更高的能量并且通过原子跃迁与所述第一状态关联，并且所述第三状态具有比所述第二状态更高的能量并且通过一个或多个原子跃迁与所述第二状态关联；
所述方法包括：
通过以下步骤将一种或多种电磁辐射模式存储在所述原子系综中：
通过布置由将要入射到所述原子系综上的电磁辐射信号源产生的一种或多种电磁辐射模式来刺激所述原子系综中的所述原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振跃迁，其中来自所述信号源的所述电磁辐射的所述频率对应于所述原子系综中的原子价电子的所述第一状态与所述第二状态之间的非共振原子跃迁，并且其中所述信号源电磁辐射的带宽大于1ghz；以及
通过布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上来刺激所述原子系综中的所述原子价电子在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁，其中来自所述一个或多个控制源的所述电磁辐射的所述频率各自对应于来自所述一个或多个原子跃迁的将所述原子系综中的原子价电子的所述第二状态和所述第三状态关联的非共振原子跃迁，并且其中来自所述一个或多个控制源中的每一者的所述电磁辐射的带宽大于1ghz；
其中，来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式以及来自所述一个或多个控制源中的每一者的所述电磁辐射被布置成入射到所述原子系综上，使得产生所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的相干激发，所述相干激发将来自所述信号源的所述一种或多种电磁辐射模式存储在所述原子系综中；并且
通过以下步骤来检索已存储在所述原子系综中的所述一种或多种电磁辐射模式：
在由所述信号源产生的所述一种或多种电磁辐射模式已存储在所述原子系综中之后，通过布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上来进一步刺激所述原子系综中的所述原子价电子在所述第二状态与所述第三状态之间的非共振跃迁；
其中，来自所述一个或多个控制源中的每一者的所述电磁辐射被布置成入射到所述原子系综上，以刺激从所述原子系综发射所述一种或多种存储的电磁辐射模式。
如本领域技术人员将理解的，在适当情况下，本发明的这些方面可以并且优选地包括本文讨论的本发明的优选和任选特征中的任何一个或多个或全部。例如，优选地，由于由所述信号源和所述一个或多个控制源产生的所述电磁辐射入射到所述原子系综中的所述原子价电子上而导致的剩余的多普勒谱线宽度的倒数大于所述第一状态与所述第三状态之间的所述跃迁的所述相干激发的寿命的一半。
一个或多个电磁辐射控制源可以被布置成产生电磁辐射，该电磁辐射将要以任何合适和期望的方式入射到原子系综上。在优选实施方案中，一个或多个控制源各自被布置成产生电磁辐射脉冲。因此，优选地，来自一个或多个控制源中的每一者的入射到原子系综上的电磁辐射是脉冲的。
优选地，来自一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射脉冲的带宽在1mhz与1.7thz之间，例如在100mhz与1thz之间、例如在1ghz与1thz之间、例如在10ghz与500ghz之间、例如大约100ghz。优选地，来自一个或多个控制源中的每一者的电磁辐射脉冲的持续时间在10ps与500ps之间，例如在20ps与400ps之间，例如大约50ps。
提供短脉冲允许量子存储器设备以高时钟频率操作，从而有助于使得多个量子存储器设备能够同步。例如，应当理解，至少在优选实施方案中，这种持续时间脉冲可以比原子系综的存储状态的寿命(第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命)更短。这可以因此允许在该存储状态的寿命内(例如，给定的适当的高时钟频率)多次尝试存储和检索原子系综中的一种或多种电磁辐射模式。
优选地，来自一个或多个(例如一个)控制源中的每一者的电磁辐射脉冲的带宽大于或近似等于来自信号源的电磁辐射脉冲的带宽，因为这可以有助于允许来自一个或多个(例如一个)控制源中的每一者的电磁辐射与来自信号源的电磁辐射重叠，并且因此将信号源的一种或多种电磁辐射模式存储在原子系综中。
量子存储器设备(的例如原子系综)被配置成使得当来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射入射到原子系综上时，这产生了第一状态与第三状态之间的跃迁的相干激发。优选地，相干激发与该跃迁共振。因此，尽管信号源电磁辐射以及来自一个或多个控制源的电磁辐射的频率(例如各自)与它们刺激的第一状态、第二状态与第三状态之间的相应跃迁失谐(非共振)，但是优选地它们一起(经由非共振第二状态)和第一状态与第三状态之间的组合跃迁共振。因此，在优选实施方案中，由信号源和一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率之和基本上等于(例如具有小于500mhz的失谐)原子系综中的原子价电子的第一状态与第二状态之间的跃迁的频率和第二状态与第三状态之间的跃迁的频率之和。
当(仅)存在单个电磁辐射控制源时，优选地，第一状态与第三状态之间的双光子跃迁(经由非共振第二状态；例如经由铷中的5p状态的5s至5d跃迁)的频率基本上等于(例如，具有小于500mhz的失谐)由信号源产生的电磁辐射的频率与由控制源产生的电磁辐射的频率之和。
信号源和一个或多个控制源可以相对于彼此(并且相对于原子系综)布置，并且被布置成以任何合适和期望的配置来引导它们所产生的相应的电磁辐射。由于入射到原子系综上的电磁辐射的实质多普勒抵消，如果信号源电磁辐射在与来自一个或多个控制源的电磁辐射基本相反的方向上入射到原子系综上，那么信号源电磁辐射的频率以及电磁辐射的频率之和将几乎简并。然而，更一般地，在优选实施方案中，由信号源产生的电磁辐射的动量方向基本上与由一个或多个控制源产生的电磁辐射的动量之和的方向相反。
由于来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射入射到原子系综上，因此来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射的动量的这种实质平衡有助于提供实质多普勒抵消。因此，当存在多个控制源时，每个控制源可以被布置成将它们各自的电磁辐射在不同方向上引向原子系综，例如只要所有控制源的动量之和在与信号源电磁辐射的方向基本相反的方向上即可。可替代地，来自每个控制源的电磁辐射可以被布置成在基本相同(例如，共线)的方向上(例如，在与信号源电磁辐射基本上相反的方向上)入射到原子系综上，并且因此优选地，由信号源产生的电磁辐射的频率与由一个或多个控制源产生的电磁辐射的频率之和相差小于百分之十。
当仅存在单个控制源时，优选地，信号源电磁辐射和控制源电磁辐射被布置成在基本相反的方向上入射到原子系综上。优选地，信号源电磁辐射和控制源电磁辐射被布置成基本上共线(尽管在不同方向上)。
将信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射布置成反向传播有助于减少(例如基本上抵消)由来自这些源的电磁辐射入射到原子系综上而引起的任何多普勒频移(例如，当原子系综包括蒸气单元时)，多普勒频移否则可能导致第一状态与第三状态之间的相干激发以及因此存储的电磁辐射模式的移相。减少任何多普勒频移因此有助于避免必须冷却原子系综并且还有助于维持双跃迁系统(第一状态、第二状态和第三状态的相干激发)。通过减少任何多普勒频移，与状态的自发发射寿命相比，这有助于减少移相(例如，第一状态与第三(存储)状态之间的相干激发的移相)。这因此有助于最大化和利用原子系综中的电磁辐射模式的存储时间，因为它主要受到存储状态的自发发射的限制，并且还有助于最大化量子存储器设备的端到端效率(例如，由于来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射可以能够相互作用的相对长的长度(例如受原子系综的长度限制)。
在至少优选实施方案中，反向传播的电磁辐射的另一益处在于信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射不共同传播(例如，如在wo2011/073656中公开的布置中)。这有助于将相应的电磁辐射彼此分离，因此可能不必使用例如基于损耗腔的滤波器来隔离信号源电磁辐射。同样，这可以有助于最大化量子存储器设备的端到端效率。
由信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的辐射的入射所产生的第一状态与第三状态之间的跃迁的相干激发使得量子存储器设备将来自信号源的一种或多种电磁模式存储在原子系综中(即模式被“写入”量子存储器)。因此，优选地，来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射被布置成在原子系综中(例如，在空间和时间上)重叠。如将理解的，当来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射共线(并且例如反向传播)时，可以在一般情况下满足空间重叠条件。
来自信号源的存储在原子系综中的一种或多种电磁辐射模式可以是任何合适的和期望的模式。在一个实施方案中，来自信号源的存储在原子系综中的一种或多种电磁辐射模式包括(单个)光子或多个光子。在另一个实施方案中，来自信号源的存储在原子系综中的一种或多种电磁辐射模式包括不存在光子(使得当来自一个或多个控制源的电磁辐射被施加到原子系综以输出所存储的电磁辐射模式时，相应地，该输出是没有光子)。
一种或多种电磁辐射模式可以存储与一种或多种电磁辐射模式相关联的任何合适的和期望的属性。一种或多种电磁辐射模式可以存储以下各项中的一项或多项：信号源的电磁辐射的(例如，固定的)偏振信息、信号源的电磁辐射的(例如，固定的)频率信息、信号源的电磁辐射的(例如，固定的)方向信息、以及信号源的电磁辐射的时间信息。这可以因此允许该信息被编码在将要存储在原子系综中的一种或多种模式中(例如，编码在单个光子中)。因此，优选地，电磁辐射信号源被布置成将以下各项中的一项或多项编码在信号源产生的将要入射到原子系综上的一种或多种电磁辐射模式中：信号源的电磁辐射的(例如，固定的)偏振信息、信号源的电磁辐射的(例如，固定的)频率信息、信号源的电磁辐射的(例如，固定的)方向信息、以及信号源的电磁辐射的时间信息。
原子系综可以以任何合适和期望的方式布置，以便存储来自信号源的一种或多种电磁辐射模式。例如，原子系综可以是任何合适的和期望的体积和/或形状。在一个实施方案中，原子系综具有一定长度(例如，在信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射入射到原子系综上的方向上延伸)，该长度被布置成使得信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射在原子系综的长度上重叠。这可以有助于在原子系综中包含大量原子来存储来自信号源的一种或多种电磁辐射模式，并且因此为量子存储器设备提供相对强的相互作用，并且因此提供相对高的效率。
当信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射包括电磁辐射脉冲时，优选地，原子系综具有一定长度(例如，在信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射入射到原子系综上的方向上延伸)，优选地当信号源时电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播通过原子系综时，该长度大于入射到原子系综上的电磁辐射的脉冲的长度(例如大十倍、例如大一百倍)。
这(例如，与脉冲长度相比较长的原子系综)可以允许来自信号源的电磁辐射的多种模式(例如脉冲)被例如(例如，沿着原子系综的长度)在原子系综的多个不同位置处(例如，同时)存储在原子系综中。这可以因此允许具有到原子系综中的不同到达时间的不同模式(例如脉冲)被(例如，沿着原子系综的长度)存储在原子系综的不同位置处，例如，不同的到达时间映射到原子系综内的不同位置。接收电磁辐射的输出模式(例如脉冲)的时间可以随后确定所存储的模式的到达时间。
应当理解，当原子系综相对较长并且来自信号源和一个或多个控制源的电磁辐射反向传播(例如，共线)时，可以最好地促进这种操作模式(即，在原子系综中同时存储多种电磁辐射模式)，从而赋予相对长的相互作用长度。这在技术上是简单的实现方式
因此，优选地，电磁辐射信号源和/或一个或多个电磁辐射控制源各自被布置成产生多个电磁辐射脉冲以例如各自作为脉冲“序列”入射到原子系综上。然而，应当理解，可能仅使用来自一个或多个控制源中的每一者的单个电磁辐射脉冲来将来自信号源的多个电磁辐射脉冲存储在原子系综中。
在原子系综中的多个不同位置处存储多种不同模式的电磁辐射还可以允许来自信号源的电磁辐射的多个不同频率(或频率分量)存储在原子系综中。这特别适用于电磁辐射信号源是宽带的实施方案。
在另一个实施方案中，原子系综具有一定长度(例如，在信号源电磁辐射和/或来自一个或多个控制源的电磁辐射入射到原子系综上的方向上延伸)，优选地当信号源电磁辐射和来自一个或多个控制源的电磁辐射反向传播通过原子系综时，该长度小于入射到原子系综上的电磁辐射脉冲的长度(例如，在0.1与小于1之间的比率)。在该实施方案中，原子系综优选地被布置成存储单一模式的电磁辐射。
该“短”原子系综可以被布置成作为“模式选择”存储器来操作。例如，原子系综可以被布置成仅存储来自信号源的特定形状的电磁辐射脉冲。优选地，来自一个或多个控制源的电磁辐射被成形来确定能够存储来自信号源的哪些形状的电磁辐射脉冲。其它形状可以随后简单地直接通过原子系综。来自一个或多个控制源的用于输出所存储的电磁辐射模式的电磁辐射的脉冲也可以被成形和/或选择它们的频率以例如改变从原子系综输出的电磁辐射模式的形状和/或频率。这可以允许原子系综用作“模式选择性分出滤波器”。
在存储时间之后(例如，小于第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命)，随后施加来自一个或多个控制源的将要入射到原子系综上的电磁辐射导致存储的电磁辐射模式从原子系综输出(即从量子存储器“读取”模式)。一个或多个控制源可以以任何合适和期望的方式来布置，以使得从原子系综输出所存储的电磁辐射模式。
因此，优选地，来自一个或多个控制源的后续电磁辐射被布置成(在来自信号源的一种或多种电磁辐射模式已存储在原子系综中之后)在第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命内入射到原子系综上。例如，例如与来自信号源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率(即，试图存储电磁辐射模式的速率)相比，来自一个或多个控制源的电磁辐射(脉冲)的时钟(重复)速率可以是任何合适的和期望的速率。在优选实施方案中，来自一个或多个控制源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率小于来自信号源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率。
优选地，来自一个或多个控制源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率和/或来自信号源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率具有时间周期(即，时钟频率的倒数)，该时间周期(例如显著(例如十倍、例如一百倍))小于第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命。这有助于确保在第三状态的自发发射之前读出所存储的电磁辐射模式。(可替代地表示，优选地，来自信号源的电磁辐射(例如脉冲)与来自一个或多个控制源的电磁辐射(例如脉冲)的时间带宽乘积(例如显著(例如十倍、例如一百倍))大于1)。
优选地，来自一个或多个控制源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率和/或来自信号源的电磁辐射(脉冲)的时钟频率大于50mhz，例如大于200mhz、例如大于1ghz、例如大约80mhz。应当理解，这赋予的时间周期显著小于第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命，例如100ns或更长(例如，如在铷中的5s-5p-5d阶梯跃迁中)。
应当理解，由于相位匹配(动量守恒)的考虑，存储在原子系综中的一种或多种电磁辐射模式的输出通常将在与来自一个或多个控制源的电磁辐射(的例如合成动量)入射在原子系综上的方向相反的方向上。
本发明的量子存储器设备可以作为单个设备来提供，例如作为量子信息处理系统的一部分来提供。然而，应当理解，根据本发明的多个量子存储器设备可以在系统中一起提供，例如作为量子信息处理系统的一部分来提供。因此，本发明扩展到包括多个根据本发明的量子存储器设备的(例如量子信息处理)系统。优选地，该系统包括根据本发明的量子存储器设备的阵列，例如其中，系统中的每个量子存储器设备被耦合到该系统中的至少一个其它量子存储器设备。
在至少优选的实施方案中，通过每个量子存储器设备的技术简单性(例如，作为集成到光纤中的蒸气单元)以及它们在基本上没有噪声的情况下操作并且可能不需要低温冷却或光泵浦的能力来辅助提供包含多个量子存储器设备的这种系统。
当提供包括多个量子存储器设备的系统时，系统中的每个量子存储器设备可以具有其自己的电磁辐射信号源以及其自己的一个或多个电磁辐射控制源。然而，在优选实施方案中，该系统包括电磁辐射的公共信号源，该信号源被布置成产生电磁辐射以入射到该系统中的每个量子存储器设备的原子系综上。另外，优选地，该系统包括一个或多个公共电磁辐射控制源，该电磁辐射控制源被布置成产生电磁辐射以入射到该系统中的每个量子存储器设备的原子系综上。
因此，优选地，由公共信号源和/或一个或多个公共控制源产生的电磁辐射被分成多个分量，其中电磁辐射的多个分量各自被布置成入射到系统中的多个原子系综中的一个上。
使得系统中的多个量子存储器设备可以被充分利用，优选地，系统中的多个量子存储器设备彼此同步。如上所述，优选地，通过以比原子系综中的第一状态与第三状态之间的相干激发的寿命更快的时钟频率来操作每个量子存储器设备来实现这一点。
现在将参考附图仅通过示例来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的量子存储器设备的图；
图2是示意性地示出用于图1的量子存储器设备的蒸气单元的图；
图3示出了根据本发明的实施方案的量子存储器设备中使用的原子能级方案；
图4a、图4b和图4c示意性地示出了根据本发明的实施方案的量子存储器设备；并且
图5a、图5b、图5c和图5d是示出了图4a、图4b和图4c中所示的量子存储器设备中使用的场的各种属性以评估其性能的曲线图。
现在将描述本发明的量子存储器设备的优选实施方案，该实施方案允许一种或多种电磁辐射模式存储在原子系综中。量子存储器是例如量子计算机的量子信息处理系统的重要部分。当使用光子实现时，量子存储器提供光与物质之间的界面，该界面允许光子量子信息(例如存储的光子的量子态)的存储和检索。
图1是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的量子存储器设备1的图。量子存储器设备1包括蒸气单元2，其包含例如铷或铯原子的原子系综4。量子存储器设备1还包括信号激光器6和控制激光器8，这些激光器充当脉冲光学或近红外辐射10、12的来源，以入射到蒸气单元2内的原子系综4上。
图2更详细地示出了图1所示的蒸气单元2。蒸气单元2被形成为空核14，该空核包含光子晶体光纤16内的原子系综4，该光子晶体光纤16具有围绕空核14的晶格18。包含空核14的光子晶体光纤16被拼接到光纤20中。光纤20的两端被连接到信号激光器6和控制激光器8，以使得它们能够引导它们的辐射10、12，以入射到原子系综4和蒸气单元2上。
现在将参考图3来描述图1和图2中所示的量子存储器设备1的操作。图3示出了当蒸气单元包含铷原子的原子系综时在图1所示的量子存储器设备中使用的原子能级方案的具体示例。
制备光纤20，其中晶体纤维16拼接到光纤20中，并且在形成蒸气单元2的晶体纤维16的空核14中包含铷原子的原子系综4。光纤20连接在波长为780nm(对应于384thz的频率)的信号激光器6与波长为776nm(对应于386thz的频率)的控制激光器8之间。
由信号激光器6产生的电磁辐射10因此被布置成刺激铷原子系综4中的原子价电子的780nm5s-5p跃迁，并且由控制激光器8产生的电磁辐射12被布置成刺激铷原子系综4中的原子价电子的776nm5p-5d跃迁。然而，分别由信号激光器6和控制激光器8产生的电磁辐射10、12被布置成分别与5s-5p跃迁和5p-5d跃迁失谐15.2ghz，但是使得来自信号激光器6和控制激光器8的电磁辐射10、12的组合应用与双光子5s-5d跃迁谐振。
信号激光器6被布置成以80mhz的速率产生具有1ghz带宽的电磁辐射10的400ps持续时间脉冲。控制激光器8被布置成以80mhz的速率产生具有1ghz带宽的电磁辐射12的400ps持续时间脉冲。应当理解，电磁辐射10、12与它们被布置成刺激的跃迁的失谐允许入射到原子系综4上的电磁辐射具有相对大的带宽并且因此具有较短的脉冲持续时间。这进而允许量子存储器设备1的快速操作(即高时钟频率)。
来自信号激光器6和控制激光器8的脉冲序列通过光纤20的任一端输入，以便入射到蒸气单元2中的铷原子系综4上。来自信号激光器6的脉冲被布置成对其中的电磁辐射10的模式进行编码。
来自信号激光器6的电磁辐射10的脉冲入射到铷原子系综4上会刺激5s-5p跃迁，并且同时来自控制激光器8的电磁辐射12的脉冲入射到铷原子系综4上会刺激5p-5d跃迁。这产生双光子5s-5d跃迁的相干激发，从而将在来自信号激光器6的脉冲中编码的电磁辐射10的模式存储在铷原子系综4中。应当理解，由于入射到原子系综上的来自信号激光器6的电磁辐射10的脉冲和来自控制激光器8的电磁辐射12的脉冲的反向传播，任何多普勒频移基本上都被消除，这是由于来自信号激光器6的电磁辐射10与来自控制激光器8的电磁辐射12的类似频率。
从控制激光器8到铷原子系综4上的电磁辐射12的后续脉冲会刺激5p-5d跃迁，从而引起来自原子系综4的信号电磁辐射10的存储模式的发射。由于相位匹配，从原子系综4发出的输出脉冲在与来自控制激光器8的电磁辐射12的脉冲输入相反的方向上。
铷原子系综4中的5d状态的寿命大约为240ns，从而赋予相干5s-5d激发的寿命长达500ns(取决于加宽的来源)，这是足够长的，给定来自控制激光器8的电磁辐射12的脉冲的时钟频率为80mhz，以便能够从信号激光器6读出已存储在原子系综4中的电磁辐射10的模式。
图4a、图4b和图4c示出了根据本发明实施方案的量子存储器设备21的更详细的示意图，类似于图1和图2中所示的实施方案。
如图4b所示，量子存储器设备21以暖铯蒸气单元22为中心。铯蒸气单元22基于ii型参量下转换(pdc)与1ghz带宽预示单光子源接口。图4a示出了预示单光子源23，该预示单光子源包括泵浦、周期性极化的磷酸氧钛钾波导26、一组法布里-珀罗(fp)校准器28以及偏振光分束器(pbs)30。
通过将“泵浦”场24转换成光子对，在参量下转换(pdc)中生成光子对，该光子对进而由该组法布里-珀罗(fp)校准器28过滤(泵浦场24以80mhz速率从主动锁模钛蓝宝石激光器泵浦，与控制器同步并且频率加倍，其中每个泵浦脉冲产生正确带宽的光子对的机率约为0.8％)。预示单光子源23产生thz带宽的信号和惰光子对，随后使用一系列法布里-珀罗(fp)校准器28和光栅滤波器来将它们滤波成约1ghz带宽(量子存储器设备的信号频率)。在低增益状态下，当该对产生率较低时，在一种模式(“惰”光子(i))中检测到光子预示另一种(“信号”光子(s))的存在。信号(s)光子和惰(i)光子由偏振光分束器(pbs)30分离。
利用单光子雪崩光电二极管检测器(di)来检测惰光子(i)，并且将信号光子发送到铯蒸气单元22。在将信号光子(s)发送到铯蒸气单元22之前的预测效率为η预示≈5％。
铯蒸气单元22是72mm长的未涂覆的玻璃单元，该玻璃单元填充有被加热至大约91℃的纯铯-133。铯蒸气单元22在每一端处包括二向色镜(dm)，这些二向色镜用于将信号场32与铯蒸气单元22内的明亮的反向传播控制场34进行组合。控制场34用于读入和读出信号场32到铯蒸气单元22的量子“存储器”中。输出信号场36从铯蒸气单元22传输并发送到检测级38。
852nm的铯d2线用于信号场32，其中6s1/2(f＝4)作为基态，并且6p3/2(f＝3、4、5)流形作为中间状态。较强的917nm的控制场34随后将该信号耦合到存储状态，即6d5/2(f＝2、3、4、5、6)流形。在宽带激励的情况下，这种复杂的原子结构可以简化为有效的三级系统(即仅6s1/2状态、6p3/2状态和6d5/2状态)。信号场32和控制场34都朝向基态(即，在与图3的实施方案中所示的方向相反的方向上)与中间状态失谐6ghz，因为这提供了信号的良好的耦合和可忽略的线性吸收。
控制场34源自主动锁模钛蓝宝石激光器，重复率锁定到80mhz，具有大约1ghz的带宽，对应于大约440ps的脉冲持续时间。为了研究小于12.5ns的存储时间，即小于来自激光器的连续脉冲之间的时间，使用非平衡马赫-曾德尔(mach-zehnder)干涉仪，在单臂中具有可变延迟以将控制脉冲序列分成两个并且相对于彼此来延迟脉冲序列。
如图4b所示，信号场32和反向传播控制场34在二向色镜(dm)上进行组合。两个光束向下聚焦，具有大约300μm的腰部，并且它们在铯蒸气单元22内暂时重叠。自发参数下转换光子的存储效率被发现对于分别为0.21(1)和0.97(1)nj的读入和读出控制脉冲能量是最大化的。
信号光子(s)被存储在铯蒸气单元22中持续大约3.5ns，发现比用于将pdc光子存储在室温量子存储器中的先前已知技术长约三个数量级。此外，在不需要准备存储状态并且在铯中给定5.4ns的存储器寿命的情况下，量子存储器设备21能够以80mhz的重复率来操作。
如图4c所示，在从铯蒸气单元22输出信号场32之后，将其发送到汉伯里-布朗-特威斯(hanbury-brown-twiss)型设置中。输出级38包括平衡分束器(bs)和连接到时间-数字转换器的两个光纤耦合单光子硅雪崩光电二极管检测器(ds1ds2)(即与图4a所示的惰检测器相同)。这使得能获得待测的存储和检索的信号场的量子统计信息。
图5a、图5b、图5c和图5d是示出了图4a、图4b和图4c中所示的量子存储器设备中使用的场的各种属性以评估其单光子存储性能的曲线图。
图5a示出了组合检测器ds1和ds2的到达时间轨迹的部分，其中控制场34关闭(“sig”)和开启(“mem”)。“sig”是控制场关闭的信号场32，并且“mem”是控制开启的信号场32，存储时间为3.5ns。图5a中所示的“ctrl”设置对应于控制场开启但是没有输入信号，并且因此示出来自量子存储器设备21的噪声。在“ctrl”配置中检测到的任何光子都将对应于存储器本身产生的噪声。
用于测量光学量子存储器的噪声性能的便利度量是μ1＝<nnoise>/η，即每个控制脉冲的平均噪声光子数<nnoise>与存储器效率η的比率。对于图4a、图4b和图4c中所示的量子存储器设备21，根据本申请人的知识，这返回了所报告的最低值μ1≤(39.4±0.2)×10-6。应当注意，这是上界估计，因为测量的噪声受到检测器的技术噪声(暗计数)的上限。
图5b示出了检测器di和ds1以及di和ds2之间的组合相关迹线，其中控制场34关闭(“sig”)和开启(“mem”)。主峰与小侧峰(在-12.5ns处)之间的比率、或者所谓的重合-意外比率(car)在这种情况下约为130，从而表明来自源的良好质量的预示单光子。12.5ns和16ns处的峰值来自80mhz脉冲序列的下一系列读入和读出脉冲，该脉冲序列撞击存储器并且从原子读出剩余相干性。
为了验证图4a、图4b和图4c中所示的量子存储器设备21的量子性能，测量所检索信号的光子统计信息并且将其与发送到存储器中的单光子进行比较。图5b示出了在控制关闭(“sig”)和开启(“mem”)的情况下在不同时间检测到的检测器di与ds1/2之间的重合点击。首先，评估信号和惰光子的互相关函数g(1,1)。
g(1,1)被定义为g(1,1)＝psi/pspi，其中psi是信号-惰重合点击的概率，并且ps(i)是信号(惰)点击概率。g(1,1)的值>2表示非经典相关。为了从测量值计算g(1,1)，使用以下关系：
其中rs,i是di-ds1和di-ds2重合的总和，rt是触发事件的数量(即测量次数)，rs是ds1和ds2点击的总和，并且ri是di点击的次数。
对于图4a、图4b和图4c所示的量子存储器设备21，对于输入信号场，g(1,1)被测量为g(1,1)＝131.3±0.2，并且在存储和检索之后，获得g(1,1)＝120.0±0.1，明显超过
图5c示出了输入信号场的不同检测器di、ds1与ds2之间的重合。r行程是检测器di、ds1与ds2之间的三重重合迹线。rs1,irs2,i/ri是惰检测器与信号检测器之间的两倍重合的乘积，由惰计数归一化，即具有与pdc相同的平均光子速率的相干光的预测的三重重合迹线。
图5d示出了与图5c相同的重合，但是针对检索的场。由于信号带宽和控制带宽之间的较小的不匹配，所检索的脉冲比输入更长。
r行程直方图与rs1,irs2,i/ri直方图的比率是观察到的预示自相关函数
预示的自相关函数被定义为
任何
其中r行程是di、ds1与ds2之间的三重重合的数量，ri是惰点击的数量，并且rs1,i和rs2,i分别是di-ds1和di-ds2重合的数量。
可以从上文看出的是，在至少优选实施方案中，本发明提供了一种量子存储器设备，该量子存储器设备由于所使用的原子系综的状态的阶梯结构并且在输入电磁辐射与中间状态失谐但是设置两个(或更多)光子共振的情况下，不需要冷却(并且因此可以能够在环境温度下操作)、没有泵浦来准备初始状态或清空存储状态、速度快、能够使用宽带电磁辐射、被集成到光纤中并且因此技术上简单、没有碰撞荧光、没有四波混频噪声、并且没有来自近简并状态(例如基态)的分裂的带宽限制。
量子存储器设备还可以例如由于其可能用于具有相对高的密度的原子系综以及存储多种电磁辐射模式的能力而提供相对长的(例如，原则上大于100ns)存储时间(与设备的时钟频率相比)、高效率。
能够以高时钟频率操作(例如，与设备的存储时间相比)可以允许在量子退相干时间限制内执行增加数量的计算周期(并且例如在多个设备之间同步)。这可以有助于允许提供稳健、快速的量子存储器设备以用于例如在安全量子网络中具有高数据传输速率的量子信息处理系统。
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