阅读说明：本技术 一种基于光子bec的光学约瑟夫森结结构 (Optical Josephson junction structure based on photon BEC ) 是由 王智勇 赖献莅 刘禹墨 王云祥 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于量子信息领域,特别涉及一种基于光子BEC的光学约瑟夫森结结构。包括一个复合谐振腔、单个原子和光信号；所述复合谐振腔由第一谐振腔、第二谐振腔和矩形截止波导组成；第一谐振腔与第二谐振腔结构相同,两个谐振腔通过矩形截止波导相连形成光学双势阱结构；所述单个原子设置在矩形截止波导的中心位置。本发明所采用的光学双势阱结构具有良好的稳定性,编码的量子比特的两个最低能级与其他光子能级的间隔较大,光子与原子之间的耦合度较高,能够在腔中用原子系统和光子系统编码量子比特,实现更大容量和更高速度的传输,为量子信息技术实现提供了一种新的解决方案。(The invention belongs to the field of quantum information, and particularly relates to an optical Josephson junction structure based on photon BEC. Comprises a composite resonant cavity, single atoms and optical signals; the composite resonant cavity consists of a first resonant cavity, a second resonant cavity and a rectangular cut-off waveguide; the first resonant cavity and the second resonant cavity are identical in structure, and the two resonant cavities are connected through a rectangular cut-off waveguide to form an optical double-potential well structure; the single atom is arranged at the central position of the rectangular cut-off waveguide. The optical double-potential well structure adopted by the invention has good stability, the interval between the two lowest energy levels of the coded quantum bit and other photon energy levels is larger, the coupling degree between photons and atoms is higher, the quantum bit can be coded by an atomic system and an optical subsystem in a cavity, the transmission with larger capacity and higher speed is realized, and a new solution is provided for the realization of a quantum information technology.)

一种基于光子BEC的光学约瑟夫森结结构

技术领域

本发明涉及量子信息领域，特别涉及一种基于光子BEC的光学约瑟夫森结结构。

背景技术

量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科，其物理基础是量子力学。基于量子特性，量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息安全性、信息容量、信息检测精度等方面将会发挥极大的作用,其已成为当前世界科技研究的一大热点。

在关于量子信息的研究中，通过染色光子阱实验说明了热化能过程能够实现光子数目的守恒，也就是说腔阱能够为实验光子气体BEC(爱因斯坦凝聚)相变提供必要条件，即可以为谐振腔中提供一种热平衡下的相干光源。在此基础之上，人们对双势阱中的物质粒子的量子动力学进行了大量研究，得到如玻色子约瑟夫森结这类双势阱形成的双能级系统。目前，基于双势阱的超导量子位，已经成为可扩展量子处理器构建的主要候选之一。但是，在量子信息技术的物理实现中，并未给出基于光子的凝聚实现退相干时间延长及增强与外界的相互作用耦合的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种光子BEC的光学约瑟夫森结结构，在该结构中其谐振腔腔体内壁为六面体，通过将六面体中一组相对面设置为外凸的弧形面，使光学的玻色爱因斯坦凝聚得到增强，促使光子与原子之间的耦合度提升，为量子信息技术实现构建了一种新的解决方案。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种基于光子BEC的光学约瑟夫森结结构，包括：一个复合谐振腔和单个原子；

所述复合谐振腔由第一谐振腔、第二谐振腔和矩形截止波导组成；

第一谐振腔的腔体内壁为六面体；六面体包括三组相对面，其中一组相对面为尺寸相同且相互平行的矩形平面，其中一个矩形平面用于连接矩形截止波导，并与矩形截止波导的连接面相匹配，另一个矩形平面用于光信号的耦合或输出；另外两组相对面中至少有一组为外凸的弧形面；组内的两个弧形面结构、尺寸完全相同，且关于两个矩形平面的中心连线对称，两个弧形面的中心连线为最大腔高。

第二谐振腔与第一谐振腔的结构、尺寸完全相同，两个谐振腔通过矩形截止波导相连形成光学双势阱结构；

所述单个原子设置在矩形截止波导的中心位置；

使用时，光信号从第一谐振腔的腔边耦合进入后，在第一谐振腔-波导-第二谐振腔形成的光学双势阱结构中，发生光子的隧穿效应产生能级分裂，构建出光学的二能级结构；然后与单个原子耦合，形成光学量子比特，从而实现量子比特的编码。

进一步的，为减少光波能量的流失，所述第一谐振腔、第二谐振腔以及矩形截止波的外表面都采用PEC材料制成。

进一步的，为使单个原子与光信号产生最佳耦合，所述单个原子的频率与光信号的频率相匹配。

本发明提供的光学约瑟夫森结结构的谐振腔腔体内壁为六面体，通过将六面体中一组相对面设置为外凸的弧形面，使光学的玻色爱因斯坦凝聚得到增强，从而为构建量子比特提供更加合适的条件。当两个相同的谐振腔通过矩形截止波导连通后形成光学双势阱结构，通过光学双势阱结构稳定的为谐振腔内的光子提供等效的谐振势能。使用时，光信号从第一谐振腔腔边耦合进入后，在两个谐振腔内传播。此时，大部份的光子都处在基态能级上，也就是说，此时第一谐振腔的光场分布为谐振子的基态波函数，第二谐振腔的光场分布同为类似谐振子的基态波函数。当传播至矩截止波导处时，两个谐振腔内的基态波函数会进行叠加。利用基态波函数的叠加作用，使光子发生隧穿效应，产生能级分裂，进而构建出光学的二能级结构。再与单个原子耦合，形成光学量子比特，从而实现量子比特的编码。

采用上述技术方案，本发明的双势阱结构用于编码的量子比特中，两个谐振腔中存在的最低能级与光子的其他能级间隔较大，使得光子与原子之间的耦合度更高，因此能够在腔中用原子系统和光子系统编码量子比特，为量子信息技术实现提供了一种新的解决方案。此外由于结构外表面采用PEC材料，使得光子的退相干时间增长，进一步提升光子与原子之间的耦合度。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例的正视图；

图3为实施例复合光腔的本征能谱；

图4为实施例中加入Λ-型原子后形成的三能级图；

附图标记：

101、第一谐振腔；102、第二谐振腔；103、矩形截止波导；s、光信号；a、单个原子；1、A面；2、B面；3、C面；4、D面；5、E面；6、F面。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种基于光子BEC的光学约瑟夫森结结构，包括一个复合谐振腔和单个Λ-型原子a。所述复合谐振腔由第一谐振腔101、第二谐振腔102和矩形截止波导103组成。

第一谐振腔101腔体内壁为六面体。六面体包括A面1、B面2、C面3、D面4、E面5及F面6，其中A面1与B面2为相对面且相互平行，C面3与D面4为相对面，E面5与F面6为相对面。A面1和B面2为尺寸相同的矩形形平面，其中A面1用于信号的耦合或输出；B面2用于连接矩形截止波导103，并与矩形截止波导103的连接面相匹配；C面3和D面4为外凸的弧形面，两个弧形面结构、尺寸完全相同，且关于A面和B面的中心连线对称C面3和D面4的中心点连线为最大腔高。E面5和F面6为尺寸相同的两个平面。

第二谐振腔与第一谐振腔的结构、尺寸完全相同，两个谐振腔通过矩形截止波导相连形成光学双势阱结构。

矩形截止波导103位于两个谐振腔之间，用于连通两个谐振腔，使其形成光学双势阱结构。

所述单个原子a选用是Λ-型原子,设置在矩形截止波导的中心位置。

使用时，光信号S从第一谐振腔的腔边耦合进入后，光波在整个复合波导谐振腔中传播，由于第一谐振腔101与第二谐振腔102通过矩形截止波导相连后，整个复合波导谐振腔构成了光学的双势阱的结构即C-W-C结构，能够使光子在传输过程中发生遂穿效应形成二能级结构；然后与位于矩形截止波导中心的单个原子耦合，形成光学量子比特，从而实现量子比特的编码。

本实施例实施时采用结构尺寸为：第一谐振腔中间最大位置处腔高为0.4μm，最大腔高实际是C面3和D面4的中心点；谐振腔C面3与D面4曲率半径相同，均为1μm。矩形截止波导横截面高为0.28μm，宽为0.36μm，长为0.18μm；矩形截止波导折射率可调，中心点与两个谐振腔的中心点均在同一水平高度，且中心与两个谐振腔的中心距离相等，都为0.432μm。本实施例中光信号s为TE₀₁模式光源，其波长为0.6μm＜λ＜0.8μm。

图3为实施例复合光腔的本征能谱。如图3所示，本实施例采用光子的BEC提供相干光源，而非激光器提供相干光源。本实施例中，光子在两个谐振腔中均凝聚在能级最低的能级态上，且这两个能级之间的频率差值远小于其他能级之间的能级差。也就是说，在本实施例结构中，最低的两个能量本征值与其余的能本征值之间存在较大的差值，因而能够形成一个光学的二能级结构。

图4为实施例中加入Λ-型原子后形成的三能级图。在本实施例中，所添加的Λ-型原子为铷原子，如图4所示，矩形截止波导中心位置加入Λ-型原子后形成三能级状态。光信号S在传输过程中，通过二能级结构与Λ-型原子耦合，使整个系统构成了一种新的光学量子比特的物理实现，形成光子和原子的纠缠态。需要注意的是，在实际的操作过程中，为配合添加的铷原子的Λ能级，可以将双势阱的结构CWC模型尺寸进行同一比例的扩大或缩小即可。