具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明自，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种自旋布居数锁定的光子存储方法，包括从掺有Eu³⁺离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将离子系综下离子的吸收线制备为透明背景下的窄带吸收(即透明背景下的孤立吸收峰)；基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备，以在所述离子系综上制备出空间上中心吸收而外围透明的吸收结构；基于两个π/2脉冲的光子回波存储，在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子的存储；基于两个π脉冲的自旋布居数锁定，把信号光子存储为基态g能级-基态s能级跃迁上的布居数结构，延长存储寿命至自旋布居数寿命的量级；以及光子回波信号的读取过程，用于在入射信号的原方向上读取出信号，降低存储过程的噪声。

在下文将参照附图更详细地描述本发明的示范性实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式体现，而不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示范性实施例使得该公布透彻和完整，并将本发明的构思充分传达给本领域的技术人员。在所有附图中，相同的附图标记代表相同的元件。为了解释的方便，各种元件和区域示意性地示出，因此，本发明的构思不限于此。

示范性实施例中，存储介质选取为10mm长的0.1％浓度¹⁵¹Eu³⁺掺杂的YSO晶体为例，其能级结构参见图1。这里选取⁷F₀下能级的1/2核自旋能态为g能级，3/2核自旋能态为s能级，⁵D₀上能级的5/2核自旋能级为e能级，⁷F₀下能级的5/2核自旋能态为aux能级。具体可包括：能级筛选及自旋初态制备过程，基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备过程，基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程，基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程，以及光子回波信号的读取过程。以下将具体描述各过程：

能级筛选及自旋初态制备过程，用于从掺有Eu³⁺离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将这些离子的吸收线制备为一个透明背景下的窄带吸收；基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备过程，用于在光传输截面上看制备一个1mm量级直径的透明圆面内制备一个100um量级直径的吸收圆面，用于抑制空间背景吸收导致的噪声。基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程，用于在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子131的短时间存储；基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程，用于把信号光子存储为基态g能级-基态s能级跃迁上的布居数结构，延长存储寿命至自旋布居数寿命的量级；以及光子回波信号的读取过程，用于用于在入射信号的原方向上读取出信号，降低存储过程的噪声。

能级筛选及自旋初态制备过程，用于从掺有Eu³⁺离子的存储介质中选择出具有目标能级结构的离子系综，并将这些离子的吸收线制备为一个透明背景下的窄带吸收；基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备过程，用于在光传输截面上看制备一个1mm量级直径的透明圆面内制备一个100um量级直径的吸收圆面，用于抑制空间背景吸收导致的噪声。

能级筛选及初态制备是本发明的一个核心技术。当存储介质没有执行能级筛选及初态制备时，入射的信号光子将会被各种共振的离子所吸收。由于晶体普遍存在非均匀展宽，这些离子的具体能级结构各不相同。这使得后面的各种控制脉冲都无法做到对所有离子同时优化，从而导致低的存储效率以及很大的噪声。而存储介质经过能级筛选和初态制备后，只有一种类型能级结构的离子参与相互作用。并且带内吸收线宽较窄，所施加的所有控制脉冲理论上可以做到100％精度，故由脉冲误差导致的噪声变小且存储效率更高。另一方面，由于其他失斜频率的离子在此处没有吸收，故可以抑制其他失斜频率的背景吸收导致的噪声。这是本发明实现单光子量级存储的关键所在。

具体的，能级筛选及自旋初态制备过程包括：存储晶体的控制光首先制备存储晶体的吸收带，目标吸收带为在一个6MHz线宽的透明带内制备一个1MHz线宽的窄带吸收线。

参考图1给出的存储晶体¹⁵¹Eu³⁺掺杂的YSO晶体能级结构；一种代表性的实现方法如下：

第一步：首先同时施加f₀、f₁、f₂三种频率的扫频光场，其中f₀光束与g-e跃迁共振，f₁光束与g-s跃迁共振，f₂光束与aux能级至⁵D₀上能级的3/2核自旋能态跃迁共振。每种频率光场在中心频率附近+/-3MHz扫描。第一步实现了同种能级结构离子系综的选择。此处设置f₀、f₁、f₂分别为400MHz，434.54MHz，379.08MHz，对应了¹⁵¹Eu³⁺离子在YSO晶体中的精细能级结构。

第二步：撤除f₂扫描激光，继续执行f₁及f₀扫频激光，用于将离子系综113的自旋状态极化为同一初态，即aux能级；

第三步：撤除所有上述扫描激光，施加一束在f₂频率附近+/-0.5MHz扫描的弱泵浦光场，同时施加一束在f₁频率附近+/-0.5MHz扫描的弱泵浦光场，在2MHz带宽范围内把布居数制备到为同一初态，即⁷F₀下能级的1/2核自旋能态。

经过以上三步操作，在f₀频率附近观察存储晶体的吸收谱，将呈现出一个6MHz的透明带内，孤立出一个1MHz线宽的吸收线。满足本发明对初态制备的需求，降低存储装置噪声。

基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备过程12目标为在光传输截面上看制备一个1mm量级直径的透明圆面内制备一个100um量级直径的吸收圆面，用于抑制空间背景吸收导致的噪声。

基于Laguerre-Gaussian模式光场的空间吸收结构制备是本发明的一个核心技术。当存储介质没有执行空间吸收结构的制备时，后面入射的控制脉冲将会被空间上大范围的离子所吸收。由于控制脉冲在空间上是尺寸有限且不均匀的，光斑边缘的离子所感受的控制脉冲能量较低，无法实现高精度的脉冲面积控制。从而导致错误的脉冲操作，产生很大的噪声。而存储介质经过空间吸收结构制备后，只有空间中心区域的离子参与相互作用。这一区域空间尺度较小，所施加的所有控制脉冲理论上可以做到100％精度，故由脉冲误差导致的噪声变小。这是本发明实现单光子量级存储的另一关键所在。

具体地，在所述能级筛选及自旋初态制备过程完成后，施加Laguerre-Gaussian模式光场，其光场中心为100um左右的黑洞，能量集中在外圈，光斑总大小为1mm左右。

其中一束激光在f₀频率附近扫描，扫描带宽6MHz，用于消除g-e跃迁的吸收；

另一束激光同时在f₁频率附近扫描，扫描带宽6MHz，用于消除s-e跃迁的吸收；

基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程，用于在基态g能级与激发态e能级跃迁上，实现对入射信号光子的短时间存储。

具体的，基于两个π/2脉冲的光子回波存储过程包括：

与g-e跃迁共振的信号光子脉冲，可以设置光脉冲为脉冲宽度约1us的高斯波。；

与g-e跃迁共振的第一π/2脉冲，脉冲面积为π/2，可以设置脉冲转移带宽为2MHz；此处脉冲面积pulse area应由原子的拉比振荡测定，以下提到的所有脉冲面积概念均类同。

与g-e跃迁共振的第二π/2脉冲，脉冲面积为π/2，可以设置脉冲转移带宽为2MHz。

基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程，用于把信号光子存储为基态g能级-基态s能级跃迁上的布居数结构，延长存储寿命至自旋布居数寿命的量级。

具体的，基于两个π脉冲的自旋布居数锁定过程包括：

与s-e跃迁共振的第一π脉冲，脉冲面积为π，可以设置脉冲转移带宽为2MHz；

与s-e跃迁共振的第二π脉冲，脉冲面积为π，可以设置脉冲转移带宽为2MHz。

Eu³⁺离子的基态核自旋能态的布居数寿命在各种材料中都很长，短的有小时量级，在YSO晶体可长达22天[参见文献：F.Konz，et al.，Physical Review B 68，085109(2003)]，故只需拉长脉冲141与脉冲之间的时间间隔，即可延长存储寿命。

光子回波信号的读取过程，用于用于在入射信号的原方向上读取出信号，降低存储过程的噪声。

具体的，施加与g-e跃迁共振的第一π脉冲，脉冲面积为π，可以设置脉冲转移带宽为2MHz。

这是本实施例实现高信噪比的一个核心技术，在g-e跃迁上，前面已施加两个π/2脉冲，故系综的布居数处于上能级远大于下能级的翻转状态；此处施加的与g-e跃迁共振的第一π脉冲，使得系综的布居数重新恢复到主要在下能级状态中，故有效避免了受激荧光噪声。

具体的，所有的控制光脉冲满足绝热快速通道条件，提高脉冲的鲁棒性。这里可以采用complex hyperbolic secant(CHS)型控制脉冲，由常规的任意波发生器即可生成。CHS型控制脉冲的详细介绍参考文献：I.Roos and K.Molmer，Phys.Rev.A 69，022321(2004)。

具体的，所有泵浦光/控制光与信号光采用交叉光路的方法在存储介质上重合，参见图2。采用反向的、非共线的控制光可以抑制常规受激光子回波的发射，只有在施加与g-e跃迁共振的第一π脉冲之后，才会有信号发射。信号出射方向与入射信号方向一致，但与泵浦光/控制光不共线，故有利于压制噪声。

具体的，控制光在存储介质上的光斑直径可以设置为200um，信号光在存储介质上的光斑直径可以设置为60um，确保信号光处于控制光较为均匀的光斑中心区域。

完整的存储控制脉冲序列参见图3。图中脉冲之间的实际时间间隔很长，可以到小时量级以上，其他脉冲间的时间间隔均为微秒量级。

图4给出了实测的光存储信号，入射信号脉冲包含光子数为10⁷光子量级，该信号由灵敏的PMT探测器采集，信号光脉冲经历了3.6小时的存储时间。这一存储时间远远超出了已知的光存储器寿命(已知的最长存储寿命为1分钟)，且满足量子加密U盘应用的基本需求。

以上实施例通过将初态制备技术、受激光子回波技术以及拉曼自旋转移技术结合起来，基于Eu³⁺离子的基态核自旋能态的布居数寿命实现长寿命的光子存储。该核自旋能级的布居数寿命可以达到一个月。故该存储方法支持小时量级以上的超长寿命光子存储器，可用于量子加密U盘、远程量子通信、远程纠缠分发等众多量子信息处理场景中。该存储方法具有存储寿命长、噪声低及易于实现的特点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。