技术领域
[0001] 本
发明涉及量子信息处理技术领域，具体涉及基于单个囚禁离子的单光子源，可以产生单光子输出的装置，提高了单光子输出效率，并压窄了单光子线宽，提高了量子通信的传输距离，并改善了量子通信的安全性。
背景技术
[0002] 量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度，确保信息安全，增大信息容量和提高检测
精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一
门新的学科分支——量子信息科学。它是量子
力学与信息科学相结合的产物，包括：量子密码，量子通信，
量子计算和量子测量等，近年来，在理论和实验上已经取得了重要突破，引起各国政府，科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越坚信，量子信息科学为信息科学的发展开创了新的原理和方法，将在 21世纪发挥出巨大潜力，而其中量子密码是量子信息科学中很重要的应用领域之一。由于量子密码的安全性由
量子力学原理所保证，被测量可
感知和不可克隆性确保了量子密码不会不留痕迹的被窃听，因此是非常安全的。
[0003] 单光子源是指在同一时间仅仅发射一个光子的
光源，是量子
密码学，量子通信和量子计算的理想光源。如何找到一个理想稳定的单光子源对于目前量子密码学,量子通信和量子计算的研究是一个需要迫切解决的问题。目前广泛应用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1个光子，由于光子的泊松分布特征，通过这样的衰减途径实现的单光子源中，单个脉冲中存在2个光子的几率依然不可忽略，所以这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的一个关键性问题。
[0004] 一个有效的提高量子通讯数据率和
信噪比的方法就是采用根号的单光子源，不仅提高了整个系统的重复
频率而且提高了每个触发脉冲都包含单个光子的概率。途径通常有如下几种：
[0005] 1、利用
量子点，虽然由量子点产生的单光子已用于演示量子密钥分配实验和产生偏振纠缠的光子对，但是由于这种技术要求低于10K的
温度，而且所产生
纠缠光子的
波长不可调，此外，这种光子高效的与单模光纤耦合比较困难。
[0006] 2、利用基于晶体二阶非线性效应的参量下转换过程的量子关联的光子对，相对来讲，这种方法技术上比较简单。描述这种单光子源的关键指标就是宣布效率H，其物理意义是在
信号光波段出现一个光子时，孪生光子出现在闲置光波段的概率。然而，由于模式匹配的原因，在将这种光子与单模光纤高效的耦合时，也存在技术上的困难。目前这种单光子源的宣布效率比较低，尤其是带宽小于 1nm时，目前H的值小于0.5。
[0007] 3、利用被囚禁在高精细度腔内的单
原子或分子，这种技术原则上来讲可以产生非常接近理想状态的单光子。
发明内容
[0008] 本发明的目的是针对
现有技术存在的上述问题，提供基于单个囚禁离子的单光子源，满足量子通信和量子计算的需要。利用囚禁的单个离子发出的
荧光来产生单光子输出，其单光子源的线宽非常窄，而且可以保证输出的单光子为理想的单光子。可以增加量子通信的传输距离而且提高了通信的安全性，同时在量子计算方面可以增加量子态的保真度和相干时间。
[0009] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0010] 基于单个囚禁离子的单光子源，包括
真空室，还包括设置在真空室内的
离子阱芯片和
钙原子炉，离子阱芯片包括掺砷
硅基片和分别设置在掺砷硅基片两面的第一
二氧化硅层和第二
二氧化硅层，掺砷硅基片上设置有基片通孔，基片通孔的相对的两个
侧壁上分别设置有光纤固定槽，两个光纤固定槽内分别设置有两个多模光纤，两个多模光纤的相对端共光轴，两个多模光纤的相对的端面为凹面，两个多模光纤的凹面的焦点重合，两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔，光学微腔的焦点与两个多模光纤的凹面的焦点重合，[0011] 第一二氧化硅层上位于基片通孔的部分开设有第一二氧化硅层通孔，第二二氧化硅层上位于基片通孔的部分开设有第二二氧化硅层通孔，
[0012] 第一二氧化硅层和第二二氧化硅层上设置有用于在光学微腔内形成直流控制
电场的直流
电极、用于在光学微腔内形成射频囚禁电场的射频电极以及用于在光学微腔内形成直流控制补偿电场的微
运动补偿电极。
[0013] 如上所述的微运动补偿电极和直流电极均为10个，射频电极为2个，5个直流电极设置在第一二氧化硅层通孔的一侧，5个微运动补偿电极和1个射频电极设置在第一二氧化硅层通孔的另一侧，另外5个直流电极设置在第二二氧化硅层通孔的一侧，另外5个微运动补偿电极和另外1个射频电极设置在第二二氧化硅层通孔的另一侧，第一二氧化硅层通孔的一侧的5个直流电极和第二二氧化硅层通孔的一侧的5个直流电极分别位于光学微腔的两侧。
[0014] 如上所述的第一二氧化硅层通孔和第二二氧化硅层通孔的横截面小于基片通孔的横截面。
[0015] 如上所述的离子阱芯片固定在滤波
电路板上的芯片放置孔内，滤波
电路板固定在芯片
支撑架上，钙原子炉固定在芯片支撑架上，芯片支撑架固定在直流馈通上，滤波电路板上设置有一阶无源RC滤波电路和射频
导线，直流电极和微运动补偿电极均通过一阶无源RC滤波电路与直流馈通连接，射频电极通过射频导线与射频馈通连接，两个多模光纤分别与光纤馈通连接。
[0016] 如上所述的真空室上沿同一分布圆周均匀设置有第一CF35
接口～第八 CF35接口，真空室上还设置有第一CF100接口和第二CF100接口，第一CF35 接口上设置有用于入射光电离激光和冷却激光到光学微腔的焦点的通光窗口，第三CF35接口上设置有用于入射单光子产生激光到光学微腔的焦点的通光窗口，第五CF35接口和第七CF35接口上分别安装通光窗口，第四CF35接口和第八 CF35接口上均安装光纤馈通，在第二CF35接口上安装射频馈通，第六CF35接口通过4通真空连接器分别与离子
泵、
升华泵和真空
角阀连接。
[0017] 本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
[0018] 1、本发明的单离子囚禁系统利用标准的
半导体微加工工艺实现离子阱的加工和光学微腔的制作，离子阱具有一对射频电极，五对直流控制电极和五对微运动补偿电极，在一维方向上可以精确控制离子与光学微腔的耦合，以及三维方向的精确微运动补偿，实现单个离子的多普勒极限冷却。
[0019] 2、本发明的单离子囚禁系统在输出单光子时，通过397nm和866nm冷却激光将单个离子冷却到多普勒极限，关闭397nm激光，打开732nm激光，实现由 4S1/2态到4P1/2态的连续泵浦，从而连续输出397nm单光子，在光学微腔与单离子的作用下耦合到光纤输出；在单光源工作时泵浦光(732nm和866nm)波长与信号光(397nm)波长不同，避免了由于泵浦光与信号光频率相同而产生的单光子不纯的问题，同时实现了连续泵浦和光学微腔耦合输出，单光子源具有很高的产生效率。
[0020] 3、本发明基于单个囚禁离子的单光子源的单光子输出是利用多模光纤进行耦合输出的，便于与现有的光通信系统连接。
[0021] 4、本发明基于单个囚禁离子的单光子源在单光子输出时，囚禁的单个离子被冷却到多普勒极限，消除了由于离子热运动产生的单光子频率展宽的效应，使制备的单光子线宽达到离子能级跃迁的自然线宽，是远距离量子通信的理想单光子源。
附图说明
[0022] 图1为本发明的真空室的剖面结构示意图。
[0023] 图2为本发明的整体结构示意图。
[0024] 图3a为本发明的滤波电路板的安装结构示意图。
[0025] 图3b为本发明的离子阱芯片的平面示意图。
[0026] 图3c为本发明的离子阱芯片的安装结构示意图。
[0027] 图3d为本发明的光纤固定槽的结构示意图。
[0028] 图3e为图3d中A部的放大示意图。
[0029] 图4为本发明的离子阱芯片的立体结构示意图。
[0030] 图5为本发明的钙离子能级结构示意图。
[0031] 图6为本发明的原理示意图。
[0032] 图中：1-光电离激光和冷却激光；2-射频馈通；3-多模光纤；4-单光子产生激光；5-通光窗口；6-光纤馈通；7-真空管道连接器；8-真空室；9-离子阱芯片； 10-升华泵；11-离子泵；12-直流馈通；13-芯片支撑架；14-钙原子炉；15-滤波电路板；16-滤波电容；17-滤波
电阻；18-直流电极；19-射频电极；20-光纤固定槽；21-光学微腔；22-钙离子；23-真空角阀；24-4通真空连接器；25-微运动补偿电极；26-第一二氧化硅层通孔；27-基片通孔；28-第二二氧化硅层通孔； 29-芯片放置孔；30-掺砷硅基片；31-第一二氧化硅层；32-第二二氧化硅层。
具体实施方式
[0033] 以下结合附图对本发明的技术方案进一步详细说明：
[0034] 基于单个囚禁离子的单光子源，包括真空室8，还包括设置在真空室8内的离子阱芯片9和钙原子炉14，离子阱芯片9包括掺砷硅基片30和分别设置在掺砷硅基片30两面的第一二氧化硅层31和第二二氧化硅层32，掺砷硅基片30上设置有基片通孔27，基片通孔27的相对的两个侧壁上分别设置有光纤固定槽20，两个光纤固定槽20内分别设置有两个多模光纤3，两个多模光纤3的相对端共光轴，两个多模光纤3的相对的端面为凹面，凹面的表面设置介质膜，两个多模光纤的凹面的焦点重合，两个多模光纤的凹面之间形成光学微腔21，光学微腔 21的焦点与两个多模光纤的凹面的焦点重合，
[0035] 第一二氧化硅层31上位于基片通孔27的部分开设有第一二氧化硅层通孔 26，第二二氧化硅层32上位于基片通孔27的部分开设有第二二氧化硅层通孔 28，[0036] 第一二氧化硅层31和第二二氧化硅层32上设置有用于在光学微腔21内形成直流控制电场的直流电极18、用于在光学微腔21内形成射频囚禁电场的射频电极19以及用于在光学微腔21内形成直流控制补偿电场的微运动补偿电极25。
[0037] 真空室8上沿同一分布圆周均匀设置有第一CF35接口～第八CF35接口，真空室8上还设置有第一CF100接口和第二CF100接口，第一CF35接口上设置有用于入射光电离激光和冷却激光到光学微腔21的焦点的通光窗口5，第三 CF35接口上设置有用于入射单光子产生激光到光学微腔21的焦点的通光窗口 5，第五CF35接口和第七CF35接口上分别安装通光窗口5，第四CF35接口和第八CF35接口上均安装光纤馈通6，在第二CF35接口上安装射频馈通2，第六 CF35接口通过4通真空连接器24分别与离子泵11、升华泵10和真空角阀23 连接。
[0038] 作为一种优选方案，如图2所示，真空室8通过离子泵11和升华泵10将真空室8内的-8真空度维持在1.0×10 Pa左右。真空室8呈10面体结构，真空室8 上沿同一分布圆周均匀分布的8个面的中心分别设置有8个CF35接口，设定沿分布圆周方向依次分别为第一CF35接口、第二CF35接口、第三CF35接口、第四CF35接口、第五CF35接口、第六CF35接口、第七CF35接口和第八CF35接口(在图2中，顶部的为第一CF35接口，沿分布圆周顺时钟方向依次为第一～第八CF35)，分布圆周的圆心与真空室8的中心共点，其中第一CF35接口中心点和第五CF35接口中心点的连线过分布圆周的圆心且位于垂直方向，第一CF35 接口位于顶部，第五CF35接口位于底部，第三CF35接口中心点和第七CF35接口中心点的连线过分布圆周的圆心且垂直于第一CF35接口中心点和第五CF35 接口中心点的连线，第二CF35接口中心点和第六CF35接口中心点的连线过分布圆周的圆心且与第一CF35接口中心点和第五CF35接口中心点的连线呈45度角，第四CF35接口中心点和第八CF35接口中心点的连线过分布圆周的圆心且与第一 CF35接口中心点和第五CF35接口中心点的连线呈45度角，真空室8另外两个面分别设置有第一CF100接口和第二CF100接口，第一CF100接口和第二CF100 接口的连线垂直于分布圆周。第一CF100接口安装25芯的直流馈通12，第二 CF100接口安装了用于探测囚禁离子发出荧光的探测窗口。
[0039] 在第一CF35接口和第五CF35接口、第三CF35接口和第七CF35接口上分别安装了用于激光通光的通光窗口5，安装在第一CF35接口上的通光窗口5用于光电离激光和冷却激光1的输入，在第三CF35接口上的通光窗口5用于单光子产生激光的输入，在第四CF35接口和第八CF35接口上均安装光纤馈通6，用于光学微腔21耦合的单光子输出，在第二CF35接口上安装了射频馈通2，用于连接离子阱芯片9的射频电极19，第六CF35接口与4通真空连接器24相连。
[0040] 离子阱芯片9固定在滤波电路板15上的芯片放置孔29内，滤波电路板15 固定在芯片支撑架13上，钙原子炉14固定在芯片支撑架13上，芯片支撑架13 固定在直流馈通12上，滤波电路板15上设置有一阶无源RC滤波电路和射频导线，直流电极18和微运动补偿电极25均通过一阶无源RC滤波电路与直流馈通 12连接，射频电极19通过射频导线与射频馈通2连接，两个多模光纤分别与光纤馈通6连接。
[0041] 作为一种优选方案，如图3a所示，离子阱芯片9通过真空胶固定在滤波电路板15上的芯片放置孔29内，滤波电路板15通过4个角上的直径为3毫米的小孔，利用M3的不锈
钢螺钉与芯片支撑架13连接，芯片支撑架13固定在直流馈通12上，芯片支撑架13上固定有钙原子炉14。
[0042] 作为一种优选方案，如图3b所示，所述的滤波电路板15上设置有一阶无源 RC滤波电路，一阶无源RC滤波电路包括滤波电容16和滤波电阻17，滤波电容 16的容值为820pF，滤波电阻17的阻值为240Ω，一阶无源RC滤波电路的转角频率为810KHz。滤波电路板15的尺寸为60mm×50mm×1.6mm，中心开有用于放置离子阱芯片9的芯片放置孔29，芯片放置孔29为台阶状的通孔，芯片放置孔 29一端尺寸为7mm×9mm×0.8mm，芯片放置孔29另一端的尺寸为5mm×7mm×0.8mm。
[0043] 作为一种优选方案，如图3d所示，离子阱芯片9为台阶状，离子阱芯片9 一面的尺寸为5mm×7mm，离子阱芯片9另一面的尺寸为7mm×9mm，由厚度为330 μm双面
抛光的掺砷硅基片通
过热氧化，在掺砷硅基片的顶面和底面分别形成厚度为15μm的第一二氧化硅层和第二二氧化硅层。在离子囚禁区域，通过
刻蚀，在掺砷硅基片上形成基片通孔27，在第一二氧化硅层上开设有第一二氧化硅层通孔26，在第二二氧化硅层上开设有第二二氧化硅层通孔28，第一二氧化硅层通孔26和第二二氧化硅层通孔28的横截面小于基片通孔27的横截面。
优选的基片通孔27长×宽×高为2.84mm×640μm×330μm，第一二氧化硅层通孔26 和第二二氧化硅层通孔28的长×宽×高均为2.54mm×340μm×15μm，第一二氧化硅层通孔26、第二二氧化硅层通孔28、基片通孔27的中
心轴线共线，且第一二氧化硅层通孔26、第二二氧化硅层通孔28、基片通孔27的长度方向一致，
[0044] 微运动补偿电极25和直流电极18均为10个，射频电极19为2个，5个直流电极18设置在第一二氧化硅层通孔26的一侧，5个微运动补偿电极25和1 个射频电极19设置在第一二氧化硅层通孔26的另一侧，另外5个直流电极18 设置在第二二氧化硅层通孔28的一侧，另外5个微运动补偿电极25和另外1 个射频电极19设置在第二二氧化硅层通孔28的另一侧，第一二氧化硅层通孔 26的一侧的5个直流电极18和第二二氧化硅层通孔28的一侧的5个直流电极 18分别位于光学微腔21的两侧。
[0045] 作为一种优选方案，在第一二氧化硅层和第二二氧化硅层表面通过热蒸
镀和
电镀方式形成5微米厚度金层电极，这些金层电极包括10个直流电极18、2个射频电极19和10个微运动补偿电极25，10个直流电极18和10个微运动补偿电极25的宽度均为340μm，2个射频电极19的宽度均为50μm。有5个直流电极18设置于第一二氧化硅层通孔26的一侧，而5个微运动补偿电极25和1个射频电极19设置于第一二氧化硅层通孔26的另一侧，另外5个直流电极18处于第二二氧化硅层通孔28的一侧，另外5个微运动补偿电极25和另外1个射频电极19处于第二二氧化硅层通孔28的另一侧，上述10个直流电极18分为两部份分别位于基片通孔27两侧，第一二氧化硅层或第二二氧化硅层上的射频电极 19与微运动补偿电极25之间的间距为50μm。第一二氧化硅层或第二二氧化硅层上的直流电极18之间的间距为10μm，第一二氧化硅层或第二二氧化硅层上的微运动补偿电极25之间的间距为10μm。另外掺砷硅基片
9上位于基片通孔 27的两侧分别刻蚀了长3.18mm，宽200μm，深900μm的光纤固定槽20，两个光纤固定槽20的长度方向与基片通孔27的长度方向垂直且位于同一直线上，两个光纤固定槽20内分别放置两根多模光纤。离子阱芯片9通过真空胶粘在滤波电路15中心的芯片放置孔29上，离子阱芯片9的每个直流电极18和每个微运动补偿电极25通过直径为25.4μm的金线分别与滤波电路板15上的一个一阶无源RC滤波电路一端相连。一阶无源RC滤波电路的滤波电容16的容值为820pF，滤波电阻17的阻值为240Ω，其转角频率为810KHz。一阶无源RC滤波电路另一端通过真空导线连接到直流馈通12上，直流馈通12与直流
电压源相连。离子阱芯片9的每个射频电极19均分别通过直径为25.4μm的金线与滤波电路板15 上的射频导线一端连接，然后射频导线另一端通过真空导线连接到射频馈通13 上，射频馈通13然后再与射频源相连。
[0046] 两根多模光纤3的芯径均为200μm，且两个多模光纤3的相对的端面通过激光热熔的方法形成
曲率半径为320μm的凹面，并且凹面的表面镀有397nm反射率为99％的介质膜。如图4所示，多模光纤3通过绝缘导热粘胶N353ND固定在光纤固定槽20中，两个多模光纤3的两个凹面相对放置，并且多模光纤3的凹面的边缘与光纤固定槽的槽沿平齐，两个多模光纤的凹面的焦点重合，这样两个多模光纤的凹面之间就形成光学微腔21，光学微腔21焦点即为两个多模光纤的凹面的焦点，两个多模光纤的凹面的光轴重合且作为光学微腔21的光轴，从第一CF35接口的通光窗口5垂直方向入射的光电离激光和冷却激光经过光学微腔21的焦点，从第三CF35接口的通光窗口5
水平方向入射的单光子产生激光经过光学微腔21的焦点，光学微腔21的光轴、单光子产生激光、垂直方向两两垂直，其光学微腔21的精细度F＝
312。被囚禁的钙离子22处于光学微腔21的中心。两个多模光纤的另外一端均是标准的SMA接头，两个多模光纤的标准的SMA 接头分别连接到第四CF35接口和第八CF35接口上安装的光纤馈通6。
[0047] 如图5所示，本实施实例基于单个囚禁离子的单光子源激光泵浦产生过程如下：
[0048] 步骤1、对钙原子炉14通电加热，钙原子炉14产生钙原子蒸气，钙原子蒸气扩散到光学微腔21内；
[0049] 步骤2、从第一CF35接口的通光窗口5(垂直方向)入射光电离激光(423nm 和375nm)和冷却激光(397nm和866nm)到光学微腔21，光电离激光与钙原子相互作用下，产生一价钙离子(40Ca+)；
[0050] 步骤3、射频源在2个射频电极19加载
频率范围为15MHz～30MHz,峰峰范围为100Vp-p～400Vp-p的电压。直流电压源在直流电极18上加载的直流电压范围为20V～60V。在射频电极19产生的射频囚禁电场和直流电极18产生的直流控制电场的作用下在光学微腔
21内产生囚禁场，产生的一价钙离子被囚禁在囚禁场中。被囚禁的一价钙离子在第一CF35接口的通光窗口5(垂直方向)入射的冷却激光(397nm和866nm)作用下，同时通过调节微运动补偿电极25上的直流电压，进而调节加载在光学微腔21内的补偿直流控制电场，将一价钙离子调节到光学微腔21的焦点处，并将一价钙离子冷却到5mK以下。
[0051] 步骤4、关闭从第一CF35接口的通光窗口5(垂直方向)入射的光电离激光和冷却激光，将单光子产生激光(732nm和866nm)通过第三CF35接口入射到光学微腔21内，囚禁的一价钙离子自发
辐射出波长为397nm单光子，波长为397nm 单光子在光学微腔的作用下，通过多模光纤耦合输出。
[0052] 上述步骤制备的单光子是在消除
多普勒效应之后，被压窄到离子的自然线宽，即线宽为兆赫兹量级的窄线宽单光子源，其适用于远距离的量子通信。
[0053] 本文中所描述的具体
实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
