СИСТЕМЫ КВАНТОВОЙ ПАМЯТИ И СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО ПОВТОРИТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ, И СПОСОБЫ ИХ ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2021 года по МПК G11C13/04 B82Y10/00 H04B10/70 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/336170, поданной 13 мая 2016 г., раскрытие которой включено сюда по ссылке во всей его полноте. Настоящая заявка также испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/465372, поданной 1 марта 2017 г., раскрытие которой включено сюда по ссылке во всей его полноте.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение относится к системам квантовой памяти и системам квантового повторителя. Более конкретно, настоящее изобретение описывает новую технологию для систем квантовой памяти и систем квантового повторителя, имеющих оптический прибор из легированной поликристаллической керамики.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В соответствии с предметом настоящего изобретения система квантовой памяти включает в себя оптический прибор из легированной поликристаллической керамики, блок генерации магнитного поля и один или более лазеров накачки. Оптический прибор из легированной поликристаллической керамики расположен в магнитном поле блока генерации магнитного поля, когда блок генерации магнитного поля генерирует магнитное поле, упомянутые один или более лазеров накачки оптически связаны с оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики, и оптический прибор из легированной поликристаллической керамики легирован легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

[0004] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения оптическая система включает в себя систему квантового повторителя, один или более блоков генерации магнитного поля и один или более лазеров накачки. Система квантового повторителя включает в себя два оптических прибора из легированной поликристаллической керамики и оптику запутывания повторителя. Каждый оптический прибор из легированной поликристаллической керамики системы квантового повторителя расположен в магнитном поле упомянутых одного или более блоков генерации магнитного поля, когда эти один или более блоков генерации магнитного поля генерируют магнитное поле. Каждый оптический прибор из легированной поликристаллической керамики системы квантового повторителя легирован легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики. По меньшей мере один из упомянутых одного или более лазеров накачки оптически связан с каждым оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики системы квантового повторителя. Кроме того, оптика запутывания повторителя включает в себя два запутывающих пути, оптически связанных с каждым оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики, и расщепитель луча расположен так, что каждый запутывающий путь пересекает этот расщепитель луча.

[0005] В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения способ производства оптического прибора из легированной поликристаллической керамики включает в себя смешивание множества комплексов переходных металлов и множества комплексов редкоземельных металлов с образованием раствора солей металлов, нагревание этого раствора солей металлов с образованием нагретого раствора солей металлов, смешивание нагретого раствора солей металлов и органического прекурсора, чтобы вызвать химическую реакцию между нагретым раствором солей металлов и органическим прекурсором для получения множества легированных редкоземельным металлом наночастиц, и спекание упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц с образованием оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, имеющего легирующую добавку редкоземельного элемента, которая равномерно распределена а кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

[0006] Хотя концепции настоящего изобретения описаны в настоящем документе с первичной ссылкой на некоторые конкретные системы квантовой памяти, предполагается, что эти концепции будут применимы для систем квантовой памяти и систем квантового повторителя, имеющих любую конфигурацию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Следующее детализированное описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения может быть лучше всего понято при прочтении в сочетании со следующими чертежами, где одинаковые структуры обозначены одинаковыми ссылочными цифрами, в которых:

[0008] Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию системы квантовой памяти, имеющей оптический прибор из легированной поликристаллической керамики с легирующей добавкой редкоземельного элемента в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0009] Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию основного и возбужденного энергетических состояний суперпозиции формируемой спектральной структуры легирующей добавки редкоземельного элемента, показанной на Фиг. 1, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0010] Фиг. 3A представляет собой схематическую иллюстрацию смеси прекурсора, используемой для образования оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0011] Фиг. 3B представляет собой схематическую иллюстрацию множества легированных редкоземельным металлом наночастиц, используемых для образования оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0012] Фиг. 3С представляет собой схематическую иллюстрацию смеси солей металлов, используемой для образования оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0013] Фиг. 3D представляет собой схематическую иллюстрацию добавления органического прекурсора к нагретой смеси солей металлов, используемой для образования оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0014] Фиг. 3Е представляет собой схематическую иллюстрацию множества легированных редкоземельным металлом наночастиц, используемых для образования оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе;

[0015] Фиг. 4 представляет собой схематическую иллюстрацию оптической системы, имеющей множество оптических приборов из легированной поликристаллической керамики с легирующей добавкой редкоземельного элемента, изображенных на Фиг. 1, расположенных в системе квантового повторителя в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе; и

[0016] Фиг. 5 схематично изображает примерную оптическую систему, содержащую множество систем квантового повторителя в соответствии с одним или более вариантами осуществления, показанными и описанными в настоящем документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0017] Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию системы 100 квантовой памяти. Система 100 квантовой памяти содержит оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, блок 140 генерации магнитного поля, генератор 170 фотонов памяти, а также один или более лазеров 180 накачки, например первый лазер 180a накачки и второй лазер 180b накачки. Как будет описано ниже, система 100 квантовой памяти конструктивно выполнена с возможностью сохранять и высвобождать один или более фотонов памяти, например по требованию, так что система 100 квантовой памяти может быть синхронизирована с одной или более дополнительными системами квантовой памяти с образованием системы 201 квантового повторителя, например, как изображено на Фиг. 4. Кроме того, компоненты системы 100 квантовой памяти, например оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, могут быть установлены в оптическую систему 200, которая включает в себя одну или более систем 201 квантового повторителя, каждая из которых содержит пару оптических приборов 120 из легированной поликристаллической керамики, как показано на Фиг. 4. Оптическая система 200, включающая в себя одну или более систем 201 квантового повторителя, может быть конструктивно выполнена с возможностью запутывания пары фотонов памяти, каждый из которых сохраняется и высвобождается оптическими приборами 120 из легированной поликристаллической керамики соответствующих систем квантовой памяти. Кроме того, описанные в настоящем документе система 100 квантовой памяти и оптическая система 200 могут быть включены в одну или более квантовых коммуникационных систем, например квантовых систем генерации ключа, квантовых телекоммуникационных систем, квантовых интернет-систем, а также любых других текущих или разрабатываемых квантовых коммуникационных систем.

[0018] Как изображено на Фиг. 1, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики системы 100 квантовой памяти включает в себя кристаллическую решетку 122 и легирован легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке 122 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Используемый в настоящем документе термин «равномерное распределение» относится к распределению легирующей добавки в кристаллической решетке, такому как распределение легирующей добавки130 редкоземельного элемента, в котором по меньшей мере 50% легирующей добавки легировано в зерна кристаллической решетки в местоположениях, отстоящих от границ зерна кристаллической решетки. Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики содержит первый конец 126 и второй конец 128, который может быть противоположным первому концу 126. Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может содержать оксид металла, сформированный в поликристаллическую керамику, такой как оксид иттрия, оксид циркония, оксид гафния и т.п. Например, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может содержать комбинацию оксида иттрия и оксида циркония. В качестве другого примера, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может содержать комбинацию оксида циркония и оксида гафния, где оксид гафния составляет примерно 2-10% от полной молекулярной массы оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, например 4%, 6%, 8% и т.п. Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может быть прозрачным.

[0019] Как изображено на Фиг. 1, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может представлять собой оптический волновод 121 из легированной поликристаллической керамики, имеющий поликристаллическую керамическую сердцевину 125 и оболочку 127, окружающую поликристаллическую керамическую сердцевину 125. Оболочка 127 имеет показатель преломления, который ниже, чем показатель преломления поликристаллического керамической сердцевины 125, так что фотоны, проходящие через поликристаллическую керамическую сердцевину 125, подвергаются полному внутреннему отражению на границе между поликристаллической керамической сердцевиной 125 и оболочкой 127. Когда разность между показателями преломления поликристаллической керамической сердцевины 125 и оболочки 127 является малой, может быть желательной большая поликристаллическая керамическая сердцевина 125 (относительно оболочки 127), а когда разность между показателями преломления поликристаллической керамической сердцевины 125 и оболочки 127 является большой, может быть желательной меньшая поликристаллическая керамическая сердцевина 125 (относительно оболочки 127).

[0020] Кроме того, поликристаллическая керамическая сердцевина 125 может содержать оксид металла, например, оксид иттрия и/или оксид циркония, сформированный в поликристаллическую керамику. Кроме того, оболочка 127 может содержать полимер, например стойкий к ультрафиолету полимер, полимер в органической матрице, или любой другой известный или разрабатываемый полимер, подходящий в качестве оболочки. В качестве одного примера поликристаллическая керамическая сердцевина 125 содержит оксид иттрия, а оболочка 127 содержит полимер. Альтернативно, оболочка 127 может содержать поликристаллическую керамику, например оксид металла, например оксид иттрия и/или оксид циркония, сформированные в поликристаллическую керамику. В качестве одного примера поликристаллическая керамическая сердцевина 125 может содержать комбинацию оксида иттрия и оксида циркония, а оболочка 127 может содержать оксид иттрия. Кроме того, поликристаллическая керамическая сердцевина 125 оптического волновода 121 из легированной поликристаллической керамики легирована легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке 122 поликристаллической керамической сердцевины 125. Кроме того, в то время как оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики изображен на Фиг. 1 как оптический волновод 121 из легированной поликристаллической керамики, следует понимать, что оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может представлять собой любой оптический прибор, например, оптические приборы, которые не включают в себя сердцевину и оболочку.

[0021] Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может иметь множество форм и размеров для облегчения поглощения и высвобождения фотона. Например, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может иметь длину между первым концом 126 и вторым концом 128 от примерно 1 см до примерно 50 см, например 5 см, 10 см, 15 см, 20 см, 30 см, 40 см и т.п. Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может иметь площадь поперечного сечения от примерно 0,01 мм² до примерно 25 мм², например примерно 0,1 мм², 0,5 мм², 1 мм², 2 мм², 5 мм², 10 мм², 15 мм², 20 мм² и т.п. Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может иметь ширину примерно от 0,1 до 5 мм, например 0,5 мм, 0,75 мм, 1 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм и т.п., и высоту от примерно 0,1 мм до примерно 5 мм, например 0,5 мм, 0,75 мм, 1 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм и т.п. Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может также содержать оптическую полость, расположенную внутри оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. При работе оптическая полость может захватывать свет, такой как фотон памяти, в оптической полости до тех пор, пока свет не будет поглощен, например, легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, расположенной внутри.

[0022] Легирующая добавка 130 редкоземельного элемента, введенная в кристаллическую решетку 122 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, включает один или более редкоземельных элементов, например, один или более элементов-лантаноидов, включая эрбий, тулий, празеодим, лантан, церий, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, иттербий, лютеций и т.п., а также элементов-нелантаноидов, таких как скандий, и оксиды каждого из этих редкоземельных элементов-лантаноидов и нелантаноидов. Кроме того, легирующая добавка 130 редкоземельного элемента может составлять от примерно 0,01% до примерно 2% от полной молекулярной массы оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, например, 0,025%, 0,05%, 0,075%, 0,1%, 0,125%, 0,15%, 0,2%, 0,25%, 0,5%, 0,75%, 1,0%, 1,25%, 1,5%, 1,75% и т.п. В качестве одного примера, легирующая добавка 130 редкоземельного элемента составляет от примерно 0,05% до примерно 0,15% от полной молекулярной массы оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0023] Легирующая добавка 130 редкоземельного элемента, введенная в кристаллическую решетку 122 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, может включать в себя формируемую спектральную структуру, расположенную в легирующей добавке 130 редкоземельного элемента и содержащую суперпозицию (например, из одного или более электронов легирующей добавки 130 редкоземельного элемента), которая является переводимой между множеством энергетических состояний. Например, как будет более подробно объяснено ниже, один или более лазеров 180 накачки могут облучать оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики для того, чтобы создать формируемую спектральную структуру в легирующей добавке 130 редкоземельного элемента. При работе эта суперпозиция формируемой спектральной структуры является переводимой между энергетическими состояниями, например, когда оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики получает один или более фотонов памяти, испускаемых генератором 170 фотонов памяти, и/или один или более импульсов накачки, испускаемых одним или более лазерами 180 накачки, как будет более подробно описано ниже. При работе ионы редкоземельных элементов имеют узкие переходы 4f-4f и имеют длинную оптическую когерентность, что делает их подходящими для передачи этой суперпозиции формируемой спектральной структуры между энергетическими состояниями для того, чтобы сохранить фотон памяти в легирующей добавке 130 редкоземельного элемента. Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может быть также легирован легирующими добавками нередкоземельного элемента, такими как оксиды Mg, Ca, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Sn и In.

[0024] Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может быть образован путем спекания множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110. Упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может содержать легированные ионом Er³⁺ наночастицы Y₂O₃. Упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть сформировано путем смешивания множества комплексов 112 переходных металлов, множества комплексов 114 редкоземельных металлов, органического прекурсора 116 и воды, такой как деминерализованная вода (см. Фиг. 3A-3E). Например, путем легирования ионами Er³⁺ наночастиц, таких как наночастицы Y₂O₃, с использованием синтеза в фазе раствора (например, с использованием способов, описанных ниже со ссылками на Фиг. 3A-3E), оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, сформированный спеканием этих легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, может содержать атомарно однородно распределенные редкоземельные ионы (например, ионы Er³⁺).

[0025] Упомянутое множество комплексов 112 переходных металлов может представлять собой соли металлов, такие как хлориды или нитраты, включая соли циркония, соли иттрия или их комбинации. Кроме того, упомянутое множество комплексов 114 редкоземельных металлов может содержать комплексы металлов, например, соли любого из редкоземельных элементов, описанных выше. Путем использования комплексов 114 редкоземельных металлов, формирующих упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 (например, с диаметрами 200 нм или менее), легирующая добавка 130 редкоземельного элемента, расположенная в получаемом оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики, может быть более равномерно распределена в кристаллической решетке 122 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, улучшая эффективность оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, органический прекурсор 116 может содержать мочевину, гидроксид аммония и т.п.

[0026] Как показано на Фиг. 1, генератор 170 фотонов памяти оптически связан с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, например, с первым концом 126 или вторым концом 128 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, и конструктивно выполнен с возможностью генерировать и испускать фотон памяти, например, запутанный фотон памяти или незапутанный фотон памяти. Генератор 170 фотонов памяти содержит источник фотонов, например лазер, оптически связанный с нелинейным кристаллом, параметрическим даун-конвертором и т.п. Кроме того, генератор 170 фотонов памяти может генерировать и испускать фотоны памяти с использованием процесса четырехволнового смешения или любого способа или процесса генерации фотонов.

[0027] При работе генератор 170 фотонов памяти может генерировать и испускать фотоны памяти, имеющие любую длину волны, например, от примерно 300 нм до примерно 10 мкм, например 500 нм, 1550 нм, 2200 нм и т.п. В качестве неограничивающего примера, фотон памяти, испускаемый генератором 170 фотонов памяти, может представлять собой первый запутанный фотон памяти, который запутан со вторым запутанным фотоном памяти, одновременно испускаемым генератором 170 фотонов памяти. При работе первый запутанный фотон памяти может проходить через оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, а второй запутанный фотон памяти может проходить вдоль пути, отдельного от оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, оставаясь запутанным с первым запутанным фотоном памяти.

[0028] Как показано на Фиг. 1, генератор 170 фотонов памяти может быть оптически связан с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики с использованием волокна передачи фотона памяти 172 или другого волноводного устройства, которое может проходить между генератором 170 фотонов памяти и первым или вторым концом 126, 128 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, генератор 170 фотонов памяти может быть оптически связан с первым или вторым концом 126, 128 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики путем выставления генератора 170 фотонов памяти с первым концом 126 или вторым концом 128, например, с использованием одного или более выставляющих механизмов 142, конструктивно выполненных с возможностью оптического выставления генератора 170 фотонов памяти с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. Упомянутые один или более выставляющих механизмов 142 могут содержать столик для выставления, оптический выключатель или и то, и другое. Кроме того, генератор 170 фотонов памяти и/или оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может быть связан с отдельными выставляющими механизмами 142.

[0029] Упомянутые один или более лазеров 180 накачки оптически связываются с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, и каждый из них конструктивно выполнен с возможностью генерировать и испускать импульсы накачки. Упомянутые один или более лазеров 180 накачки могут содержать любой лазерный источник, например диодный лазер, диодный лазер с внешним резонатором, волоконный лазер, лазер на красителях и т.п. Кроме того, упомянутые один или более лазеров 180 накачки могут быть конструктивно выполнены с возможностью испускать импульсы накачки, имеющие любую длину волны, например, от примерно 500 нм до примерно 2200 нм. Кроме того, длина волны импульсов накачки, генерируемых и испускаемых упомянутыми один одним или более лазерами 180 накачки, может быть больше длины волны фотонов памяти, генерируемых и испускаемых генератором 170 фотонов памяти.

[0030] Кроме того, как изображено на Фиг. 1, упомянутые один или более лазеров 180 накачки могут содержать первый лазер 180a накачки и второй лазер 180b накачки. Например, первый лазер 180a накачки может быть оптически связан с первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, а второй лазер 180b накачки может быть оптически связан со вторым концом 128 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Как изображено на Фиг. 1, первый лазер 180a накачки может быть оптически связан с тем же самым концом оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, что и генератор 170 фотонов памяти (например, с первым концом 126), а второй лазер 180b накачки может быть оптически связан с другим концом оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики (например, со вторым концом 128). Оптическое соединение первого и второго лазеров 180a, 180b накачки с различными концами оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может уменьшить оптическое рассеивание фотона памяти в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики во время работы системы 100 квантовой памяти.

[0031] Как изображено на Фиг. 1, каждый лазер 180 накачки может быть оптически связан с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики с использованием волокна 182 передачи импульса накачки или другого волноводного устройства, которое может проходить между каждым лазером 180 накачки и оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, каждый лазер 180 накачки может быть оптически связан с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики с использованием одного или более выставляющих механизмов 142, конструктивно выполненных с возможностью оптического выставления каждого лазера 180 накачки с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. Один или более механизмов выставляющих 142 могут содержать столик для выставления, оптический выключатель, или и то, и другое. Кроме того, один или более лазеров 180 накачки и/или оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики могут быть связаны с отдельными выставляющими механизмами 142.

[0032] Как показано на Фиг. 1, система 100 квантовой памяти может дополнительно содержать мультиплексор 160 с разделением по длинам волн (WDM), оптически связанный с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. В частности, WDM 160 оптически связан с тем концом оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, на котором фотон памяти выходит из оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Например, как изображено на Фиг. 1, WDM 160 может быть оптически связан с первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, WDM 160 может быть оптически связан как с путем 162 фотона памяти, так и с путем 164 импульса накачки, например, WDM 160 может быть расположен между концом (например, первым концом 126) оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики и обоими из пути 162 фотона памяти и пути 164 импульса накачки. WDM 160 выполнен с возможностью направлять фотоны памяти в путь 162 фотона памяти и направлять импульсы накачки в путь 164 импульса накачки. Например, WDM 160 может направлять диапазон длин волн фотонов, охватывающий длины волн фотонов памяти, в путь 162 фотона памяти, и может направлять диапазон длин волн фотонов, охватывающий длины волн импульсов накачки, в путь 164 импульса накачки. Кроме того, путь 162 фотона памяти и путь 164 импульса накачки могут содержать оптические волокна.

[0033] Путь 162 фотона памяти может проходить между WDM 160 и приемником 166 фотона памяти. В качестве одного неограничивающего примера, приемник 166 фотона памяти может содержать волоконно-оптический канал одной или более цепей переплетения фотона квантовой системы генерации ключа, описанной в американской патентной заявке № 14/680522. В качестве другого неограничивающего примера, приемник 166 фотона памяти может содержать оптику запутывания 210 повторителя системы 201 квантового повторителя, показанной на Фиг. 4. Кроме того, путь 164 импульса накачки может проходить между WDM 160 и приемником 168 импульса накачки. При работе первый и второй импульсы накачки могут завершаться в приемнике 168 импульса накачки, например, приемник 168 импульса накачки может содержать конец волокна в тех вариантах осуществления, в которых путь 164 импульса накачки содержит оптическое волокно.

[0034] Как показано на Фиг. 1, система 100 квантовой памяти может дополнительно содержать оптический циркулятор 150, оптически связанный с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, например, с первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Оптический циркулятор 150 содержит три или более оптических порта, например, первый оптический порт 152, второй оптический порт 154 и третий оптический порт 156. Кроме того, оптический циркулятор 150 расположен между генератором 170 фотонов памяти и оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, например первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, так что первый оптический порт 152 оптического циркулятора 150 оптически связан с генератором 170 фотонов памяти, а второй порт оптически связан с первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0035] Оптический циркулятор 150 также может располагаться между упомянутым по меньшей мере одним из лазеров 180 накачки (например, первым лазером 180a накачки) и первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики так, что первый оптический порт 152 оптического циркулятора 150 оптически связан с по меньшей мере одним из упомянутых одного или более лазеров 180 накачки, а второй оптический порт 154 оптически связан с первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Например, как изображено на Фиг. 1, каждый из генератора 170 фотонов памяти и первого лазера 180a накачки оптически связан с первым оптическим портом 152 оптического циркулятора 150 так, что фотоны памяти, выводимые генератором 170 фотонов памяти, и первый импульс накачки, выдаваемый первым лазером 180a накачки, входят в первый оптический порт 152 оптического циркулятора 150 и выходят из второго оптического порта 154 к первому концу 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0036] Оптический циркулятор 150 также может располагаться между WDM 160 и оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, например первым концом 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, третий оптический порт 156 оптического циркулятора 150 оптически связан с WDM 160. Например, WDM 160 расположен рядом и оптически связан третьим оптическим портом 156 оптического циркулятора 150 так, что WDM 160 получает фотон памяти после того, как фотон памяти выходит из первого конца 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, и может принимать один или оба из импульсов накачки, выдаваемых первым и вторым лазерами 180a, 180b накачки.

[0037] Как изображено на Фиг. 1, система 100 квантовой памяти может дополнительно содержать систему 190 охлаждения, термически связанную с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. В качестве неограничивающего примера, система 190 охлаждения может содержать охлаждающую камеру, и оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может быть установлен внутри этой охлаждающей камеры. В качестве другого неограничивающего примера, система 190 охлаждения может содержать систему охлаждения лазера, и оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может быть оптически связан с этой системой охлаждения лазера. Следует понимать, что годится любая система 190 охлаждения, конструктивно выполненная с возможностью охлаждения оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0038] Как показано на Фиг. 1, блок 140 генерации магнитного поля может содержать любое магнитное устройство, конструктивно и композиционно выполненное с возможностью генерировать магнитное поле, например, статическое магнитное поле. В качестве неограничивающих примеров, блок 140 генерации магнитного поля может содержать электромагнит, ферромагнит, магнит из алнико, самариево-кобальтовый (SmCo) магнит, неодим-железо-борный (NdFeB) магнит или их комбинации. Кроме того, блок 140 генерации магнитного поля расположен в системе 100 квантовой памяти так, что когда блок 140 генерации магнитного поля генерирует магнитное поле, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики расположен в магнитном поле блока 140 генерации магнитного поля. Например, блок 140 генерации магнитного поля может быть смежным с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. В качестве неограничивающего примера, блок 140 генерации магнитного поля может быть конструктивно и композиционно выполнен с возможностью генерировать магнитное поле, имеющее плотность магнитного потока от примерно 0,2 Тл до примерно 5 Тл, например, примерно 0,4 Тл, 0,5 Тл, 0,6 Тл, 0,65 Тл, 0,7 Тл, 0,8 Тл, 1 Тл, 2 Тл, 2,5 Тл, 3 Тл, 4 Тл и т.п.

[0039] Как схематично показано на Фиг. 2, когда оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики находится в магнитном поле блока 140 генерации магнитного поля, и упомянутые один или более лазеров 180 накачки облучают оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики для создания формируемой спектральной структуры в легирующей добавке 130 редкоземельного элемента, основное состояние суперпозиции формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента расщепляется так, что каждая суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента содержит первое расщепленное основное состояние G₁, второе расщепленное основное состояние G₂ и возбужденное энергетическое состояние E₁. Путем расщепления основного состояния суперпозиции формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента суперпозиция формируемой спектральной структуры может быть переведена во второе основное состояние G2 для хранения фотона памяти в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики, как будет описано ниже.

[0040] При работе оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, конструктивно и композиционно выполнен с возможностью поглощения и сохранения фотона памяти, испускаемого генератором 170 фотонов памяти. Например, формируемая спектральная структура может быть создана в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики, например, в легирующей добавке 130 редкоземельного элемента, с использованием одного или более импульсов накачки, выдаваемых лазером 180 накачки. Например, формируемая спектральная структура может содержать атомно-частотную гребенку (AFC), контролируемое обратимое неоднородное уширение (CRIB), или любую известную или разрабатываемую формируемую спектральную структуру, например, формируемые спектральные структуры, создаваемые путем использования выжигания спектральных провалов. Примеры формируемых спектральных структур описаны в публикациях Hastings-Simon et al., «Controlled Stark shifts in Er³⁺-doped crystalline and amorphous waveguides for quantum state storage», Optics Communications, 266, pgs. 716-719 (2006), Afzelius et al, «Multimode quantum memory based atomic frequency combs», Physical Review A 79, 052326 (2009), а также Nilsson et al., «Solid state quantum memory using complete absorption and re-emission of photons by tailored and externally controlled inhomogeneous absorption profiles», Optics Communications, 247, pgs. 393-403 (2005).

[0041] Затем, когда фотон памяти проходит через оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, фотон памяти может переводить суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента из первого расщепленного основного состояния G₁ в возбужденное энергетическое состояние E₁, как схематично показано на Фиг. 2, для поглощения фотона памяти. Затем, при получении первого импульса накачки, выдаваемого первым лазером 180a накачки, первый импульс накачки может переводить суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента из возбужденного энергетического состояния E1 во второе расщепленное основное состояние G2 для сохранения фотона памяти. Кроме того, выход лазера накачки может представлять собой π-импульс.

[0042] Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, конструктивно и композиционно выполнен с возможностью высвобождать по требованию фотон памяти, хранящийся в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики. Например, при получении второго импульса накачки, выдаваемого вторым лазером 180b накачки, суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента переводится из второго расщепленного основного состояния G2 обратно в возбужденное энергетическое состояние E1. Перейдя в возбужденное энергетическое состояние E1, суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента автоматически высвободит фотон памяти после периода задержки, так что фотон памяти выходит из оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, например из первого конца 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Например, перейдя в возбужденное энергетическое состояние E1, формируемая спектральная структура легирующей добавки 130 редкоземельного элемента будет перефазирована, и после периода задержки фотон памяти выйдет из оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, фотон памяти может выходить из первого конца 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, когда второй лазер 180b накачки испускает второй импульс накачки во второй конец 128 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, и фотон памяти может выходить из второго конца 128 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, когда второй лазер 180b накачки испускает второй импульс накачки в первый конец 126 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0043] Период задержки представляет собой постоянный, повторяемый интервал времени, так что при повторении операции отдельные фотоны памяти высвобождаются после того же самого периода задержки. Кроме того, различные оптические приборы 120 из легированной поликристаллической керамики могут иметь одинаковые или различные периоды задержки. В качестве одного неограничивающего примера, оптические приборы 120 из легированной поликристаллической керамики, имеющие один и тот же состав поликристаллической керамики и легирующей добавки, могут иметь равные периоды задержки. Таким образом, пара оптических приборов 120 из легированной поликристаллической керамики, имеющих эквивалентные периоды задержки, могут быть организованы как система 201 квантового повторителя оптической системы 200, изображенной на Фиг. 4, и каждый из них будет высвобождать фотоны памяти одновременно, если каждый из них получает второй импульс накачки одновременно, чтобы облегчить квантовое запутывание фотонов памяти с использованием оптики 210 запутывания повторителя, показанного на Фиг. 4, как будет описано ниже. Кроме того, период задержки отдельного оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может быть определен путем выполнения измерения фотонного эха на отдельном оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0044] Как показано на Фиг. 1, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может иметь низкую фононную энергию (например, дебаевскую энергию), что может ограничить непреднамеренную электронную дефазировку. Например, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может иметь фононную энергию от примерно 100 см^-1 до примерно 800 см^-1, например 200 см^-1, 300 см^-1, 400 см^-1, 500 см^-1, 600 см^-1, 700 см^-1 и т.п. Электронная дефазировка относится к связыванию с помощью фонона с орбитали захваченного электрона на вырожденную или почти вырожденную орбиталь. Непреднамеренная электронная дефазировка относится к изменению энергетического состояния (например, к связыванию с помощью фонона) на первое основное состояние G₁ суперпозицией формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента, которое вызывает непреднамеренное высвобождение фотона памяти перед желаемым высвобождением фотона памяти. Например, непреднамеренная электронная дефазировка относится к электронной (например, суперпозиционной) дефазировке, которая происходит до приема первого импульса накачки или второго импульса накачки оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, снижение непреднамеренной электронной дефазировки может способствовать более длительному времени жизни хранения фотона и большей эффективности фотонной памяти.

[0045] Путем снижения фононной энергии оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики можно увеличить время жизни хранения фотона и эффективность хранения фотона в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики. Время жизни хранения фотона относится к максимальному количеству времени, в течение которого фотон памяти может сохраняться в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики до того, как непреднамеренная электронная (например, суперпозиционная) дефазировка вызовет высвобождение фотона памяти. Кроме того, эффективность хранения фотона относится к проценту фотонов памяти, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, которые поглощаются и сохраняются. Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики имеет низкое ослабление, что увеличивает эффективность хранения фотона. Ослабление может быть понижено путем уменьшения рассеивания, например путем оптического соединения первого и второго лазеров 180a, 180b накачки с противоположными концами оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, как изображено на Фиг. 1. Кроме того, ослабление может быть понижено путем уменьшения числа пустот в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики. В некоторых вариантах осуществления оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики не содержит пустот.

[0046] Кроме того, равномерное распределение легирующей добавки 130 редкоземельного элемента в кристаллической решетке 122 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может предотвратить кластеризацию легирующей добавки 130 редкоземельного элемента на границах зерна между отдельными кристаллами оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Это равномерное распределение может уменьшить спин-спиновые взаимодействия, уменьшая тем самым непреднамеренное электронное затухание. Кроме того, путем охлаждения оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, например с использованием системы 190 охлаждения, фононная заполненность оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может быть уменьшена, что увеличивает время жизни хранения фотона и эффективность фотонной памяти оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0047] Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики может также содержать элементы с ядерным магнитным моментом примерно 3 μ_N или меньше, например примерно 1 μ_N или меньше. При работе более низкие магнитные моменты коррелируют с более длительным временем жизни хранения фотона из-за меньшего магнитного диполь-дипольного взаимодействия элемента, имеющего низкий ядерный магнитный момент, с легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента. В качестве одного неограничивающего примера, такие элементы, как Y, Sn и Pb, каждый из которых имеет низкие магнитные моменты, также могут присутствовать в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, оптические приборы 120 из легированной поликристаллической керамики, содержащие материалы, имеющие более высокие атомные веса, могут быть желательными, потому что более тяжелые элементы могут также иметь более низкую фононную энергию.

[0048] Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, может также иметь узкую однородную ширину спектральной линии, что может увеличить время жизни хранения фотона и эффективность фотонной памяти оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, легированного легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента. В частности, более узкая однородная ширина спектральной линии напрямую коррелирует с более длительным временем жизни хранения фотона. Используемый в настоящем документе термин «неоднородная ширина спектральной линии» относится в полной ширине на половине максимума (FWHM) пика поглощения спектральной линии (например, на длине волны, на которой происходит максимальное поглощение) легирующей добавки 130 редкоземельного элемента оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики неоднородной шириной спектральной линии, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, может иметь неоднородную ширину спектральной линии от примерно 1 нм до примерно 25 нм, от примерно 5 нм до 15 нм и т.п., например 2 нм, 5 нм, 10 нм, 15 нм, 20 нм и т.п. Кроме того, однородная ширина спектральной линии оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, легированного легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, может составлять примерно 7,5 МГц или меньше, например 7 МГц, 6 МГц, 5 МГц, 4 МГц, 3 МГц, 2 МГц, 1 МГц и т.п.

[0049] В качестве одного неограничивающего примера, пик поглощения оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, легированного легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, содержащим эрбий, может находиться в диапазоне от примерно 1510 нм до примерно 1550 нм, например, от примерно 1535 нм до примерно 1545 нм, например на длине волны 1540 нм. В качестве другого неограничивающего примера, пик поглощения оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, легированного легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, содержащим тулий, может находиться в диапазоне от примерно 1600 нм до примерно 1700 нм, например, от примерно 1625 нм до примерно 1675 нм, например на длине волны 1660 нм. Кроме того, при работе оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, выполнен с возможностью поглощать и сохранять фотон памяти, пересекающий оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, как было описано выше, при получении первого импульса накачки, выдаваемого первым лазером 180a накачки, который имеет длину волны в пределах 15 нм от длины волны пика поглощения, например, в пределах 10 нм, в пределах 5 нм, или равную длине волны пика поглощения. Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, может высвобождать фотон памяти, как было описано выше, при получении второго импульса накачки, выдаваемого вторым лазером 180b накачки, имеет длину волны в пределах 15 нм от длины волны пика поглощения, например, в пределах 10 нм, в пределах 5 нм, или равную длине волны пика поглощения.

[0050] Соотношение между временем жизни хранения фотона и однородной шириной спектральной линии может быть математически описано следующими уравнениями: и , где V₁ представляет собой первую пространственную производную кристаллической области оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, V₂ представляет собой вторую пространственную производную кристаллической области оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, ρ₁ представляет собой амплитуду вероятности перехода благодаря V₁, ρ₂ представляет собой вероятность перехода благодаря V₂, с означает скорость света, ρ означает плотность материала матрицы, например оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, ν означает среднюю скорость звуковой волны в кристалле, означает основное состояние электрона (например, электрона легирующей добавки 130 редкоземельного элемента), и означает возбужденное состояние электрона (например, электрона легирующей добавки 130 редкоземельного элемента). Кроме того, коэффициент фононной связи может быть математически описан как где с означает скорость света, ω_i означает однородную ширину спектральной линии оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, и ρ₁ означает амплитуду вероятности первого порядка перехода. Как было показано выше, меньшие (например, более узкие) однородные ширины спектральной линии дают меньшие коэффициенты фотонной связи. Кроме того, малый коэффициент фононной связи коррелирует с низкой фононной энергией, а низкая фононная энергия способствует более длительному времени жизни хранения фотона. Таким образом, однородная ширина спектральной линии является обратно пропорциональной времени жизни хранения фотона, и более узкая однородная ширина спектральной линии способствует увеличению времени жизни хранения фотона.

[0051] Объединяя вышеупомянутые уравнения, однородное время хранения может быть математически описано как

где c означает скорость света, k означает постоянную Больцмана, T означает температуру (например, температуру оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики), T_D означает дебаевскую температуру, ρ₁ означает амплитуду вероятности первого порядка перехода, ρ₂ означает амплитуду вероятности второго порядка перехода, и E означает энергетический уровень.

[0052] В некоторых вариантах осуществления легирующей добавки 130 редкоземельного элемента может представлять собой некрамерсовский редкоземельный ион, такой как Pr³⁺, Tm³⁺ и т.п. Оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный некрамерсовскими редкоземельными ионами, может иметь более узкую однородную ширину спектральной линии, чем оптические приборы 120 из легированной поликристаллической керамики, легированные крамерсовскими редкоземельными ионами, например, благодаря отсутствию крамерсовского вырождения некрамерсовских редкоземельных ионов. Это может увеличить время жизни хранения фотона оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики и уменьшить непреднамеренное электронное затухание. Кроме того, когда легирующая добавка 130 редкоземельного элемента содержит тулий, электроны легирующей добавки 130 редкоземельного элемента, содержащего тулий, могут расщепляться на первое и второе основные состояния G₁ и G₂ (Фиг. 2) при их нахождении в более слабом магнитном поле, чем легирующей добавки 130 редкоземельного элемента, содержащий эрбий.

[0053] Возвращаясь к Фиг. 1 и 2, рассмотрен способ сохранения и высвобождения фотона памяти с использованием системы 100 квантовой памяти. В то время как этот способ описывается ниже в одном конкретный порядке, следует понимать, что возможны и другие порядки. Как показано на Фиг. 1, способ может сначала содержать генерацию магнитного поля с использованием блока 140 генерации магнитного поля. Как было указано выше, генерация магнитного поля с использованием блока 140 генерации магнитного поля заставляет основное состояние электронов легирующей добавки 130 редкоземельного элемента расщепляться на первое основное состояние G₁ и второе основное состояние G₂, как показано на Фиг. 2.

[0054] Этот способ затем генерирует формируемую спектральную структуру в легирующей добавке 130 редкоземельного элемента оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики путем облучения оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики множеством импульсов накачки, выдаваемых упомянутыми одним или более лазерами 180 накачки. Затем этот способ содержит испускание фотона памяти из генератора 170 фотонов памяти, оптически связанного с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, и при получении фотона памяти оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики легирующей добавки 130 редкоземельного элемента, который легирует оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, поглощает фотон памяти, переводя суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента из первого расщепленного основного состояния G₁ в возбужденное энергетическое состояние E₁. Например, фотон памяти может иметь длину волны от примерно 300 нм до примерно 10 мкм, например 500 нм, 1550 нм, 2200 нм. Затем этот способ дополнительно содержит испускание первого импульса накачки из первого лазера 180a накачки, оптически связанного с оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики, так что первый импульс накачки переводит суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента из возбужденного энергетического состояния во второе расщепленное основное состояние G₂ при получении первого импульса накачки оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики для того, чтобы сохранить фотон памяти в оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0055] Как показано на Фиг. 1 и 2, этот способ дополнительно содержит испускание второго импульса накачки из второго лазера 180b накачки так, что второй импульс накачки переводит суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента из второго расщепленного основного состояния G₂ в возбужденное энергетическое состояние E₁ при получении второго импульса накачки оптическим прибором 120 из легированной поликристаллической керамики. Вернувшись в возбужденное энергетическое состояние E₁, суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки 130 редкоземельного элемента автоматически высвобождает фотон памяти после периода задержки, так что фотон памяти выходит из оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0056] Кроме того, при работе система 100 квантовой памяти, и более конкретно оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, может поглощать и сохранять фотон памяти на время жизни хранения фотона, составляющее от примерно 500 нс до примерно 1 мс, например от примерно 1 мкс до примерно 1 мс, или от примерно 10 мкс до примерно 1 мс. Кроме того, при работе система 100 квантовой памяти, и более конкретно оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 130 редкоземельного элемента, может поглощать и сохранять примерно 50% или более из множества фотонов памяти, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, например примерно 70% или более из множества фотонов памяти, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, примерно 90% или более из множества фотонов памяти, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, и т.п.

[0057] Далее со ссылками на Фиг. 3A и 3B будет рассмотрен способ производства оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1. В то время как этот способ описывается ниже в одном конкретном порядке, следует понимать, что возможны и другие порядки. Как изображено на Фиг. 3A, этот способ сначала содержит смешивание множества комплексов 112 переходных металлов, множества комплексов 114 редкоземельных металлов, органического прекурсора 116 и воды, такой как деминерализованная вода, чтобы сформировать смесь 111 прекурсора. Упомянутое множество комплексов 112 переходных металлов может содержать комплексы металлов, такие как соли металлов, которые включают в себя переходный металл, например, цирконий, иттрий или их комбинации. Кроме того, переходные металлы упомянутого множества комплексов 112 переходных металлов могут включать в себя кубические кристаллы диэлектрического материала, и могут иметь поперечный размер (например, диаметр) от примерно 25 нм до примерно 250 нм, например 50 нм, 75 нм, 100 нм, 125 нм, 150 нм, 200 нм и т.п. В качестве одного примера, множество комплексов 112 переходных металлов может содержать YCl₃⋅6H₂O.

[0058] Кроме того, упомянутое множество комплексов 114 редкоземельных металлов может содержать комплексы металлов, такие как соли металлов, которые включают в себя любой из редкоземельных элементов, описанных выше. В качестве одного примера, комплексы 114 редкоземельных металлов могут содержать ErCl₃⋅6H₂O. Как было указано выше, путем использования комплексов 114 редкоземельных металлов для формирования упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 легирующая добавка 130 редкоземельного элемента, расположенная в получаемом оптическом приборе 120 из легированной поликристаллической керамики, может быть более равномерно распределена в кристаллической решетке 122 оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, улучшая эффективность оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, органический прекурсор 116 может содержать мочевину, гидроксид аммония и т.п.

[0059] В качестве одного примера, смесь 111 прекурсора может включать в себя от примерно 40 г до примерно 80 г комплексов 112 переходных металлов, например, примерно 50 г, 60 г, 65 г, 65,53 г, 70 г и т.п. Смесь 111 прекурсора может также включать в себя от примерно 0,01 г до примерно 0,5 г комплексов 114 редкоземельных металлов, например, примерно 0,05 г, 0,1 г, 0,15 г, 0,2 г, 0,25 г, 0,35 г и т.п. Кроме того, смесь 111 прекурсора может включать в себя от примерно 350 г до примерно 450 г органического прекурсора 116, например, примерно 375 г, 388,8 г, 400 г, 425 г и т.п. Кроме того, смесь 111 прекурсора может включать в себя от примерно 2 л до примерно 6 л деминерализованной воды, например, примерно 3 л, 4 л, 4,32 л, 5 л и т.п.

[0060] Как показано на Фиг. 3A и 3B, этот способ дополнительно содержит нагревание упомянутого множества комплексов 112 переходных металлов, упомянутого множества комплексов 114 редкоземельных металлов, органического прекурсора 116 и деминерализованной воды (например, смеси 111 прекурсора) до температуры нагрева в течение времени нагрева для того, чтобы вызвать термическое разложение органического прекурсора 116 и инициировать химическую реакцию между комплексами 112 переходных металлов, комплексами 114 редкоземельных металлов и органическим прекурсором 116 с тем, чтобы получить множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 (см. Фиг. 3B). Например, температура нагрева может составлять от примерно 70°C до примерно 100°C, например, примерно 80°C, 90°C, 95°C и т.п., а продолжительность нагрева может составлять от примерно 0,5 до примерно 3 час, например, 1 час, 2 час и т.п.

[0061] При работе термическое разложение органического прекурсора 116, такого как мочевина, может давать ионы OH^- и CO₃^2-, которые реагируют с переходными металлами упомянутого множества комплексов 112 переходных металлов и редкоземельными металлами упомянутого множества комплексов 114 редкоземельных металлов, давая упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, например наночастицы Y_1-xEr_x(OH)CO₃⋅H₂O. Кроме того, наночастицы Y_1-xEr_x(OH)CO₃⋅H₂O могут быть отфильтрованы и собраны, а затем отожжены при температуре отжига от примерно 500°C до примерно 900°C, например, примерно 600°C, 700°C, 800°C, и т.п., чтобы преобразовать легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 Y_1-xEr_x(OH)CO₃⋅H₂O в легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 (Y_1-xEr_x)₂O₃. После отжига легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут иметь кристаллическую структуру. Кроме того, химический выход легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может составлять от примерно 85% до примерно 98%, например, 88%, 90%, 92%, 95% и т.п.

[0062] Диаметр упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть изменен путем изменения концентрации упомянутого множества комплексов 112 переходных металлов в смеси 111 прекурсора. В качестве одного примера, когда концентрация множества комплексов 112 переходных металлов в смеси 111 прекурсора составляет примерно 0,0125 M, диаметр получаемых легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может составлять примерно 100 нм. В качестве другого примера, когда концентрация множества комплексов 112 переходных металлов в смеси 111 прекурсора составляет примерно 0,05 M, диаметр получаемых легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может составлять примерно 150 нм. Кроме того, может быть желательным, чтобы множество комплексов 112 переходных металлов в смеси 111 прекурсора составляло меньше чем 0,05 M, потому что получаемые легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут быть неравномерными и могут агломерироваться, если концентрация комплексов 112 переходных металлов в смеси 111 прекурсора составляет больше чем 0,05 M.

[0063] Кроме того, количество легирующей добавки редкоземельного элемента в упомянутом множестве легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть изменено путем изменения отношения комплексов 112 переходных металлов и комплексов 114 редкоземельных металлов в смеси 111 прекурсора. В качестве одного примера, когда отношение комплексов 112 переходных металлов и комплексов 114 редкоземельных металлов составляет примерно 137 частей множества комплексов 112 переходных металлов на примерно 1 часть множества комплексов 114 редкоземельных металлов, получаемые легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут содержать примерно 0,97% легирующей добавки редкоземельного элемента. В качестве другого примера, когда отношение множества комплексов 112 переходных металлов и множества комплексов 114 редкоземельных металлов составляет примерно 548 частей множества комплексов 112 переходных металлов на примерно 1 часть множества комплексов 114 редкоземельных металлов, получаемые легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут содержать примерно 0,25% легирующей добавки редкоземельного элемента.

[0064] Этот способ может дополнительно включать в себя измельчение упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 с использованием измельчающих сред, например стабилизированных оксидом иттрия измельчающих сред, такие как измельчающие среды YTZ®, производимые компанией Tosoh Corporation, Токио, Япония. Эти измельчающие среды могут иметь диаметр примерно 1-3 мм, например 1,5 мм, 2 мм, 2,5 мм и т.п. Кроме того, дополнительные материалы могут быть добавлены до или во время процесса измельчения, например, смеси этанольных растворителей, 1-бутанола, пропиленгликоля, органофосфата, такого как Рhosphalon^TM PS-236, и деминерализованной воды. При работе легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут измельчаться в течение от примерно 75 час до примерно 100 час, например, примерно 80 час, 85 час, 90 час, 95 час и т.п. Кроме того, легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут измельчаться с использованием измельчающей системы VIBRA-MILL®.

[0065] В качестве одного примера, примерно 25 г легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 могут измельчаться с использованием от примерно 100 г до примерно 150 г измельчающих сред, например 110 г, 120 г, 130 г, 140 г и т.п. Кроме того, дополнительные материалы, добавляемые до или во время процесса измельчения, могут включать в себя от примерно 15 г до примерно 20 г этанольных растворителей, например, примерно 16 г, 17 г, 18 г, 18,3 г, 19 г и т.п., от примерно 2 г до примерно 6 г 1-бутанола, например, примерно 3 г, 4 г, 4,4 г, 5 г и т.п., от примерно 0,5 г до примерно 1,5 г пропиленгликоля, например примерно 1,0 г, от примерно 0,25 г до примерно 0,5 г органофосфата, такого как Рhosphalon^TM PS-236, например примерно 0,3 г, 0,35 г, 0,38 г, 0,4 г, 0,45 г и т.п., и от примерно 0,5 г до примерно 2,5 г деминерализованной воды, например примерно 1 г, 1,3 г, 1,5 г, 2 г и т.п.

[0066] При работе процесс измельчения диспергирует упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 в суспензию, которая может быть отделена от измельчающих сред во время процесса фильтрации, например с использованием сита. Затем одно или более связующих веществ, таких как поливинилбутираль Butvar® (PVB-B98), и один или более пластификаторов, таких как дибутилфталат, могут быть добавлены к этой суспензии, содержащей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, которая может быть затем смешана, например, с использованием планетарного смесителя Mazerustar^TM (например, модели KK-400W). Затем эта суспензия, содержащая множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, может быть прокатана, например, с использованием валков, вращающихся со скоростью примерно 25 об/мин, в течение примерно 18-24 час, чтобы удалить воздух, находящийся в суспензии, имеющей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110. Путем удаления воздуха получаемый оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики (например, сформированный с использованием процесса спекания, описываемого ниже), может быть сделан не содержащим пустот. При работе более длительный процесс измельчения, например, примерно 90 час или более, может быть желателен для того, чтобы уменьшить пустоты и увеличить прозрачность результирующего оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0067] В некоторых вариантах осуществления суспензия, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть отлита в пленку с использованием процесса отливки, такого как процесс отливки ленты, например с использованием устройства для отливки ленты TAM Ceramics® с гидравлическим приводом. После отливки пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть высушена, например, путем покрытия пленки материалом покрытия так, чтобы воздушный зазор находился между пленкой и материалом покрытия в течение периода сушки, например от примерно 18 час до примерно 24 час, например, 20 час, 22 час и т.п. Затем пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть высушена в сушильном шкафу при температуре примерно 50°C в течение примерно 20-25 мин, что может удалить органику, присутствующую в пленке, содержащей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110. Кроме того, пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может иметь толщину примерно 100 мкм или меньше, например, примерно 75 мкм, 50 мкм, 25 мкм, 20 мкм, 15 мкм, 10 мкм и т.п.

[0068] Способ производства оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может дополнительно содержать спекание упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, например, спекание пленки, содержащей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, чтобы образовать описанный выше оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, содержащий легирующую добавку 130 редкоземельного элемента. Перед спеканием пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть помещена на огнеупорную подставку, такую как огнеупорная подставка из глинозема. После помещения на огнеупорную подставку пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть спечена с использованием агломерационной печи, такой как печь CM^TM.

[0069] В качестве одного примера, во время процесса спекания пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть спечена с использованием следующего плана спекания. Сначала пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть нагрета от комнатной температуры до 200°C в течение примерно 1 час, затем пленка может быть нагрета от примерно 200°C до примерно 500°C в течение примерно 2 час, а затем от 500°C до примерно 1550°C в течение примерно 5 час. Затем пленка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть выдержана при температуре примерно 1550°C, например, по меньшей мере примерно 1500°C или более, в течение примерно 2 час, а затем охлаждена от 1550°C до примерно комнатной температуры в течение примерно 3 час. При работе более высокая максимальная температура во время процесса спекания, например, примерно 1550°C или более, может быть желательной для того, чтобы уменьшить пустоты и увеличить прозрачность результирующего оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0070] В других вариантах осуществления упомянутого множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть спрессовано в таблетки, прежде чем подвергнуться процессу спекания. Например, множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть спрессовано в таблетки вместо того, чтобы формировать суспензию, а затем отливать ее в пленку. При работе упомянутого множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть спрессовано, например, одноосно спрессовано, изостатически спрессовано, или спрессовано комбинированным образом в таблетки, содержащие легированные редкоземельным металлом наночастицы 110. Таблетка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть одноосным образом спрессована в стальной матрице размером 3/4 дюйма (19,05 мм) с усилием примерно 8 тыс. фунтов (35,59 кН), и/или изостатически спрессована при давлении примерно 25 тыс. фунтов на кв. дюйм (172,4 МПа) с использованием изостатической оболочки, например латексной изостатической оболочки. После прессования таблетки могут быть спечены. Во время процесса спекания таблетки могут нагреваться от комнатной температуры до максимальной температуры в течение примерно 12 час и могут быть выдержаны при максимальной температуре в течение примерно 2 час. Кроме того, максимальная температура может составлять от примерно 1300°C до 1800°C, например, примерно 1400°C, 1450°C, 1500°C, 1515°C, 1550°C, 1600°C, 1615°C, 1650°C, 1700°C и т.п. Затем таблетка может быть охлаждена до комнатной температуры в течение примерно 12 час. Кроме того, следует понимать, что спекание таблетки, содержащей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, формирует оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, содержащий описанная выше легирующая добавка редкоземельного элемента 130.

[0071] После спекания таблетка также может быть подвергнута горячему изостатическому прессованию при температуре от примерно 1400°C до примерно 1800°C, например примерно 1515°C, 1625°C, 1650°C и т.п. Кроме того, таблетка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть помещена под высокое давление при нагреве, например, примерно на 4 час под давлением примерно 29 тыс. фунтов на кв. дюйм (199,9 МПа). Кроме того, во время процесса горячего изостатического прессования таблетка, содержащая легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, может быть помещена в атмосферу аргона или другого инертного газа. В некоторых вариантах осуществления максимальная температура, достигаемая во время процесса спекания, может быть больше, чем максимальная температура, достигаемая во время процесса горячего изостатического прессования. После горячего изостатического прессования таблетки, содержащей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, она может быть отполирована, например, до шероховатости 0,5 мкм с помощью алмазной финишной полировки. После полировки таблетка может быть подвергнута окислению при 1100°C в воздухе в течение 2 час, а затем отожжена. Отжиг может удалить остаточный углерод, диффундировавший в таблетку во время процесса горячего изостатического прессования. Такое углеродное загрязнение может быть удалено путем отжига таблетки в воздухе при температуре примерно 1200°C в течение примерно 12 час. Процесс отжига может быть затем повторен, например, в течение примерно 4 час. Следует понимать, что спекание таблетки, содержащей легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, формирует оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, содержащий описанная выше легирующая добавка 130 редкоземельного элемента.

[0072] Далее со ссылками на Фиг. 3C-3E будет рассмотрен другой способ производства оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, показанного на Фиг. 1. Как изображено на Фиг. 3A, этот способ сначала содержит смешивание упомянутого множества комплексов 112 переходных металлов, упомянутого множества комплексов 114 редкоземельных металлов и деминерализованной воды для того, чтобы сформировать раствор 115 солей металлов. [0059] В качестве одного примера, раствор 115 солей металлов может включать в себя от примерно 40 г до примерно 80 г комплексов 112 переходных металлов, например, примерно 50 г, 60 г, 65 г, 65,53 г, 70 г и т.п. Раствор 115 солей металлов может также включать в себя от примерно 0,01 г до примерно 0,5 г комплексов 114 редкоземельных металлов, например, примерно 0,05 г, 0,1 г, 0,15 г, 0,2 г, 0,25 г, 0,35 г и т.п. Кроме того, раствор 115 солей металлов может включать в себя от примерно 2 л до примерно 6 л деминерализованной воды, например, примерно 3 л, 4 л, 4,32 л, 5 л и т.п. В одном примере раствор 115 солей металлов может содержать примерно 0,2-0,25 моля солей металлов (например, множества комплексов 112 переходных металлов и множества комплексов 114 редкоземельных металлов) примерно в 4 л деминерализованной воды.

[0073] Как показано на Фиг. 3C-3E, этот способ дополнительно содержит нагревание раствора 115 солей металлов для формирования нагретого раствора 115' солей металлов. Например, раствор 115 солей металлов может быть нагрет до температуры от примерно 70°C до примерно 100°C, например, примерно 80°C, 90°C, 100°C и т.п. В качестве одного примера, нагретый раствор 115' солей металлов может быть нагрет до кипения. Затем, как изображено на Фиг. 3D, органический прекурсор 116 может быть смешан с нагретым раствором 115' солей металлов, вызывая формирование легированных редкоземельным металлом наночастиц 110. В некоторых вариантах осуществления температура органического прекурсора 116 может быть меньше, чем температура нагретого раствора 115' солей металлов, при смешивании с нагретым раствором 115' солей металлов, а в других вариантах осуществления органический прекурсор 116 может иметь ту же самую температуру или более высокую температуру, чем нагретый раствор 115' солей металлов.

[0074] Кроме того, подготовка нагретого раствора 115' солей металлов, а затем смешивание органического прекурсора 116 с нагретым раствором 115' солей металлов могут вызвать формирование легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, которые имеют меньший диаметр, чем легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, формируемые с использованием смеси 111 прекурсора, описанной выше со ссылками на Фиг. 3A и 3B. Например, легированные редкоземельным металлом наночастицы 110, сформированные путем смешивания органического прекурсора 116 и нагретого раствора 115' солей металлов, могут иметь размер 200 нм или меньше, например 100 нм или меньше, 50 нм или меньше, 40 нм или меньше, 30 нм или меньше и т.п. Без привязки к какой-либо конкретной теории, считается, что смешивание органического прекурсора 116 и нагретого раствора 115' солей металлов производит больше редкоземельных легированных ядер, формируя тем самым более мелкие легированные редкоземельным металлом наночастицы 110.

[0075] При работе термическое разложение органического прекурсора 116, такого как мочевина, может производить ионы OH^- и CO₃^2-, которые реагируют с переходными металлами упомянутого множества комплексов 112 переходных металлов и редкоземельными металлами множества комплексов 114 редкоземельных металлов нагретого раствора 115' солей металлов, давая упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, например, наночастицы Y_1-xEr_x(OH)CO₃⋅H₂O. Кроме того, наночастицы Y_1-xEr_x(OH)CO₃⋅H₂O могут быть отфильтрованы и собраны, а затем отожжены при температуре отжига от примерно 500°C до примерно 900°C, например, примерно 600°C, 700°C, 800°C, и т.п., чтобы преобразовать легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 Y_1-xEr_x(OH)CO₃⋅H₂O в легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 (Y_1-xEr_x)₂O₃. После отжига легированные редкоземельным металлом наночастицы 110 могут иметь кристаллическую структуру. Кроме того, химический выход легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может составлять от примерно 85% до примерно 98%, например 88%, 90%, 92%, 95% и т.п.

[0076] Кроме того, в способе, показанном на Фиг. 3C-3E, количество легирующей добавки редкоземельного элемента в упомянутом множестве легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть изменено путем изменения отношения комплексов 112 переходных металлов и комплексов 114 редкоземельных металлов в растворе 115 солей металлов. Например, увеличение относительного количества комплексов редкоземельных металлов 114 в растворе 115 солей металлов может увеличить количество легирующей добавки редкоземельного элемента в получаемом множестве легированных редкоземельным металлом наночастиц 110. Способ, изображенный на Фиг. 3C-3E, может дополнительно включать в себя измельчение упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 с использованием измельчающих сред для того, чтобы сформировать суспензию, отфильтровывание измельчающих сред от этой суспензии и добавление одного или более связующих веществ к этой суспензии, как было описано выше со ссылками на Фиг. 3A и 3B.

[0077] Как показано на Фиг. 3C-3E, способ производства оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может затем содержать спекание упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 с использованием любого из процессов спекания, описанных выше со ссылками на Фиг. 3A и 3B. В одном примерном процессе упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть спрессовано в таблетку из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110, например с использованием стальной матрицы с усилием от примерно 6 тыс. фунтов до примерно 10 тыс. фунтов, например примерно 8 тыс. фунтов. Затем таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть изостатически спрессована при комнатной температуре, например с использованием латексной изостатической оболочки, при давлении от примерно 20 тыс. фунтов на кв. дюйм (137,9 МПа) до примерно 30 тыс. фунтов на кв. дюйм (206,8 МПа), например 25 тыс. фунтов на кв. дюйм (172,4 МПа). Эта таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть затем спечена при температуре спекания 1300°C или более в течение периода спекания от примерно 1,5 час до примерно 2,5 час, например, примерно 2 час. После спекания таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть подвергнута горячему изостатическому прессованию при температуре от примерно 1300°C до примерно 1600°C (например, 1500°C) в течение от примерно 14 час до примерно 18 час (например, 16 час) при давлении от примерно 15 тыс. фунтов на кв. дюйм (103,4 МПа) до примерно 35 тыс. фунтов на кв. дюйм (241,3 МПа) (например, 29 тыс. фунтов на кв. дюйм (199,9 МПа)). Стадия горячего изостатического прессования может выполняться в графитовой печи в присутствии аргона. Во время горячего изостатического прессования таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть помещена в порошок Y₂O₃ (например, засыпана им) для того, чтобы уменьшить углеродное загрязнение. При работе горячее изостатическое прессование может уплотнить (например, увеличить плотность) таблетки из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110. После образования оптический прибор из легированной поликристаллической керамики может быть отполирован до чистоты поверхности примерно 0,5 мкм Ra.

[0078] В одном примерном производственном процессе таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть сначала спечена при температуре спекания примерно 1550°C, а затем подвергнута изостатическому прессованию при температуре примерно 1515°C. Во втором примерном производственном процессе таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть сначала спечена при температуре спекания примерно 1550°C, а затем подвергнута изостатическому прессованию при температуре примерно 1515°C. В третьем примерном производственном процессе таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 может быть сначала спечена при температуре спекания примерно 1550°C, а затем подвергнута изостатическому прессованию при температуре примерно 1515°C. В каждом из этих трех примерных производственных процессов давление спекания может составлять примерно 29 тыс. фунтов на кв. дюйм (199,9 МПа), продолжительность спекания может составлять примерно 2 час, и продолжительность горячего изостатического прессования может составлять примерно 16 час. Кроме того, в каждом из этих трех примерных процессов температура горячего изостатического прессования может быть меньше, чем температура процесса спекания, что минимизирует рост кристаллического зерна во время горячего изостатического прессования.

[0079] Кроме того, результирующий оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, формируемый с использованием способов изготовления, показанных на Фиг. 3C-3E, может быть выполнен с возможностью облегчения осевой оптической передачи множества фотонов, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, каждый из которых имеет длину волны от примерно 1000 нм до примерно 2000 нм, например, примерно 1535 нм, 1550 нм, и т.п., на величину от примерно 70% до примерно 82%, например, 75%, 77%, 80%, 81%, 81,5%, 81,7% и т.п. Кроме того, угол рассеяния этого множества фотонов может составлять примерно 2,5°. Отдельные кристаллы оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики могут иметь размер зерна (например, самое большое измерение каждого кристалла) от примерно 0,15 мкм до примерно 2,5 мкм, например, примерно 0,2 мкм, 0,4 мкм, 0,6 мкм, 0,8 мкм, 1 мкм, 1,2 мкм, 1,4 мкм, 1,6 мкм, 1,8 мкм, 2 мкм, 2,2 мкм, 2,4 мкм и т.п. Кроме того, средняя площадь зерна отдельных кристаллов оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики может составлять от примерно 0,25 мкм² до примерно 0,35 мкм², например 0,26 мкм², 0,27 мкм², 0,28 мкм², 0,29 мкм², 0,3 мкм², 0,31 мкм², 0,32 мкм², 0,33 мкм², 0,34 мкм² и т.п. Кроме того, размер зерна может быть настроен путем изменения температуры спекания во время процесса спекания. Например, более высокие температуры спекания могут формировать кристаллы с большей площадью зерна. В качестве одного примера, когда таблетка из легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 спекается при температуре примерно 1550°C, отдельные кристаллы оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики могут иметь размер зерна от примерно 0,7 мкм до примерно 2,1 мкм.

[0080] При работе температура спекания, используемая для образования оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики, коррелирует с размером и плотностью рассеивающих центров, таких как остаточные поры, сформировавшиеся внутри оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Более низкие температуры спекания понижают размер и плотность центров рассеивания, которые вызывают затухание при пересечении фотонами оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Таким образом, уменьшение размера и плотности рассеивающих центров может уменьшить коэффициент затухания фотонов, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики. Когда множество фотонов, таких как фотоны памяти, пересекают оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, вызванное рассеиванием затухание множества фотонов может быть определено коэффициентом косвенного рассеяния μ, где, означает полное оптическое пропускание множества фотонов через оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, T_a означает осевое оптическое пропускание множества фотонов, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, и L означает толщину оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики. Осевое оптическое пропускание T_a множества фотонов, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, увеличивается, когда число рассеивающих центров уменьшается, и по сути образование оптического прибора 120 из легированной поликристаллической керамики с использованием более низких температур спекания может уменьшить вызываемое рассеиванием затухание и полный коэффициент затухания фотонов, пересекающих оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики.

[0081] Кроме того, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, образованный с использованием легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 меньшего диаметра, может способствовать более низкому коэффициенту затухания, чем оптические приборы 120 из легированной поликристаллической керамики, образованные с использованием легированных редкоземельным металлом наночастиц 110 больших диаметров. Например, оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики, образованный с использованием способов изготовления, описанных со ссылками на Фиг. 3C-3E, может иметь коэффициент затухания 5 дБ/мм или меньше, 4 дБ/мм или меньше, 3 дБ/мм или меньше, 2 дБ/мм или меньше, 1 дБ/мм или меньше и т.п.

[0082] На Фиг. 4 схематично изображена оптическая система 200, содержащая систему 201 квантового повторителя, один или более блоков 240 генерации магнитного поля, и один или более лазеров 280 накачки. Система 201 квантового повторителя включает в себя первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики и оптику 210 запутывания повторителя. Кроме того, первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики могут каждый содержать оптический прибор 120 из легированной поликристаллической керамики описанный выше в связи с системой 100 квантовой памяти.

[0083] Например, первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики каждый содержит первый конец 226 и второй конец 228, который может быть противоположным первому концу 226. Кроме того, первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики легируются легирующей добавкой 230 редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке 222a, 222b каждого из первого и второго оптического прибора 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Легирующая добавка редкоземельного элемента 230a, 230b может содержать любой из описанных выше редкоземельных легирующих элементов 130. Кроме того, первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики могут представлять собой оптические волноводы из легированной поликристаллической керамики, как было описано выше. Кроме того, система 100 квантовой памяти может дополнительно содержать систему 290 охлаждения, термически связанную с каждым из оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Система 290 охлаждения может содержать любую из систем 190 охлаждения, описанных выше.

[0084] Один или более блоков 250 генерации магнитного поля могут содержать блоки 140 генерации магнитного поля, описанные выше. Кроме того, первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики расположены в магнитном поле одного или более блоков 250 генерации магнитного поля, когда эти один или более блоков 250 генерации магнитного поля генерируют магнитные поля. Кроме того, в то время как на Фиг. 3 изображен только один блок 250 генерации магнитного поля, следует понимать, что возможно любое число блоков 250 генерации магнитного поля. Например, первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики могут располагаться в магнитных полях других блоков 250 генерации магнитного поля.

[0085] Как показано на Фиг. 4, оптическая система 200 дополнительно содержит один или более генераторов 270a, 270b фотонов памяти, оптически связанных с каждым оптическим прибором 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, например, оптически связанных с первым концом 226a, 226b каждого оптического прибора 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Например, первый генератор 270a фотонов памяти может быть оптически связан с первым концом 226a первого оптического прибора 220a из легированной поликристаллической керамики, а второй генератор 270b фотонов памяти может быть оптически связан с первым концом 226b второго оптического прибора 220b из легированной поликристаллической керамики. Один или более генераторов 270a, 270b фотонов памяти могут содержать любой из генераторов 170 фотонов памяти, описанных выше.

[0086] Кроме того, упомянутые один или более лазеров 280 накачки оптически связаны с оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Например, упомянутые один или более лазеров 280 накачки могут содержать первый лазер 280а накачки и второй лазер 280b накачки, каждый из которых оптически связан с первым оптическим прибором 220a из легированной поликристаллической керамики, а также третий лазер 280c накачки и четвертый лазер 280d накачки, каждый из которых оптически связан со вторым оптическим прибором 220b из легированной поликристаллической керамики. Например, как изображено на Фиг. 3, первый лазер 280a накачки может быть оптически связан с первым концом 226a первого оптического прибора 220a из легированной поликристаллической керамики, второй лазер 280b накачки может быть оптически связан со вторым концом 228a первого оптического прибора 220a из легированной поликристаллической керамики, третий лазер 280c накачки может быть оптически связан с первым концом 226b второго оптического прибора 220b из легированной поликристаллической керамики, и четвертый лазер 280d накачки может быть оптически связан со вторым концом 228b второго оптического прибора 220b из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, упомянутые один или более лазеров 280 накачки могут содержать любой из лазеров 180 накачки, описанных выше.

[0087] Кроме того, упомянутые один или более генераторов 270a, 270b фотонов памяти, упомянутые один или более лазеров 280a, 280b накачки и/или оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики могут быть связаны с одним или более выставляющими механизмами 242 для оптического выставления одного или более генераторов 270a, 270b фотонов памяти и одного или более лазеров 280 накачки с оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, упомянутые один или более выставляющих механизмов 242 могут содержать любой из выставляющих механизмов 142, описанных выше. Кроме того, оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, легированные легирующей добавкой 230a, 230b редкоземельного элемента, выполнены с возможностью поглощать и высвобождать фотоны памяти, как было описано выше со ссылками на Фиг. 1 и 2.

[0088] Оптическая система 200 может дополнительно содержать первый и второй WDM 260a, 260b, оптически связанные с первым и вторым оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, например с соответствующими первыми концами 226a, 226b первого и второго оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Каждый из WDM 260a, 260b может содержать WDM 160, описанный выше. Кроме того, WDM 260a, 260b могут быть оптически связаны как с путями 262a, 262b фотона памяти, так и с путями 264a, 264b импульса накачки, например WDM 260a, 260b могут располагаться между первыми концами 226a, 226b первого и второго оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики и путями 262a, 262b фотона памяти, а также путями 264a, 264b импульса накачки.

[0089] Пути 262a, 262b фотона памяти могут проходить между WDM 260a, 260b и оптикой 210 запутывания повторителя. Например, первый путь 262a фотона памяти может проходить между и оптически связывать первый WDM 260a и первый запутывающий путь 212a оптики 210 запутывания повторителя. Кроме того, второй путь 262b фотона памяти может проходить между и оптически связывать второй WDM 260b и второй запутывающий путь 212b оптики 210 запутывания повторителя. Кроме того, пути 264a, 264b импульса накачки могут проходить между WDM 260a, 260b и приемниками 268a, 268b импульса накачки, которые могут содержать приемник 168 импульса накачки, описанный выше.

[0090] Как изображено на Фиг. 4, оптическая система 200 может дополнительно содержать первый и второй оптические циркуляторы 250a, 250b, расположенные рядом и оптически связанные с соответствующими первым и вторым оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, например, с соответствующими первыми концами 226a, 226b первого и второго оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Первый и второй оптические циркуляторы 250a, 250b могут содержать любой из оптических циркуляторов 150, описанных выше. Например, первый и второй оптические циркуляторы 250a, 250b могут каждый содержать три или более оптических портов, например, первый оптический порт 252a, 252b, второй оптический порт 254a, 254b, и третий оптический порт 256a, 256b.

[0091] Первый и второй оптические циркуляторы 250a, 250b расположены между соответствующими первым и вторым генераторами 270a фотонов памяти и первым и вторым оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Например, первые оптические порты 252a, 252b первого и второго оптических циркуляторов 250a, 250b оптически связаны с соответствующими первым и вторым генераторами 270a, 270b фотонов памяти, а вторые оптические порты 254a, 254b первого и второго оптических циркуляторов 250a, 250b оптически связаны с соответствующими первыми концами 226a, 226b первого и второго оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики.

[0092] Кроме того, первый оптический циркулятор 250a может также располагаться между упомянутым по меньшей мере одним из лазеров 280 накачки (например, первым лазером 280a накачки) и первым оптическим прибором 220a из легированной поликристаллической керамики, например, первым концом 226a первого оптического прибора 220a из легированной поликристаллической керамики так, что первый оптический порт 252a первого оптического циркулятора 250a оптически связан по меньшей мере с одним из упомянутых одного или более лазеров 280 накачки (например, первым лазером 280a накачки), а второй оптический порт 254a первого оптического циркулятора 250a оптически связан с первым концом 226a первого оптического прибора 220a из легированной поликристаллической керамики. Например, как изображено на Фиг. 4, каждый из первого генератора 270a фотонов памяти и первого лазера 280a накачки оптически связаны с первым оптическим портом 252a первого оптического циркулятора 250a так, что фотоны памяти, выводимые первым генератором 270a фотонов памяти, и импульс накачки, выводимый первым лазером 180a накачки, входят в первый оптический порт 252a первого оптического циркулятора 250a и выходят из второго оптического порта 254a к первому концу 226a первого оптического прибора 220a из легированной поликристаллической керамики.

[0093] Кроме того, второй оптический циркулятор 250b также может располагаться между упомянутым по меньшей мере одним из лазеров 280 накачки (например, третьим лазером 280c накачки) и вторым оптическим прибором 220b из легированной поликристаллической керамики, например, первым концом 226b второго оптического прибора 220b из легированной поликристаллической керамики, так что первый оптический порт 252b второго оптического циркулятора 250b оптически связан с по меньшей мере одним из упомянутых одного или более лазеров 280 накачки (например, третьим лазером 280c накачки), а второй оптический порт 254b второго оптического циркулятора 250b оптически связан с первым концом 226b второго оптического прибора 220b из легированной поликристаллической керамики. Например, как изображено на Фиг. 4, каждый из второго генератора 270b фотонов памяти и третьего лазера 280с накачки оптически связан с первым оптическим портом 252b второго оптического циркулятора 250b так, что фотоны памяти, выводимые вторым генератором 270b фотонов памяти, и импульс накачки, выводимый третьим лазером 280с накачки, входят в первый оптический порт 252b второго оптического циркулятора 250b и выходят из второго оптического порта 254b к первому концу 226b второго оптического прибора 220b из легированной поликристаллической керамики.

[0094] Первый и второй оптические циркуляторы 250a, 250b могут также располагаться между соответствующими первым и вторым WDM 260a, 260b и первым и вторым оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, например, соответствующими первыми концами 226a, 226b первого и второго оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, третий оптический порт 256a, 256b первого и второго оптических циркуляторов 250a, 250b оптически связан с соответствующими первым и вторым WDM 260a, 260b так, что первый и второй WDM 260a, 260b получают фотон памяти после того, как фотон памяти выходит из первого конца 226a, 226b первого и второго оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, и могут получать некоторых или все импульсы накачки, выводимые первым, вторым, третьим и четвертым лазерами 280а, 280b, 280c, 280d накачки.

[0095] Как показано на Фиг. 4, оптика 210 запутывания повторителя системы 201 квантового повторителя содержит два запутывающих пути 212a, 212b, оптически связанных со вторыми концами 228a, 228b каждого из оптических приборов 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, например с использованием первого и второго WDM 260a, 260b и первого и второго путей 262a, 262b фотона памяти. Два запутывающих пути 212a, 212b также могут быть оптически связаны с двумя детекторами 214a, 214b запутывания. Оптика 210 запутывания повторителя дополнительно содержит расщепитель 216 луча, выполненный так, что каждый запутывающий путь 212a, 212b пересекает расщепитель 216 луча. Кроме того, два детектора 214a, 214b запутывания могут каждый содержать один или более детекторов одиночных фотонов, например, детекторов одиночных фотонов из сверхпроводящей нанопроволоки, малошумных фотодиодов и т.п. При работе оптика 210 запутывания повторителя конструктивно выполнена с возможностью запутывать пары фотонов памяти, когда фотоны памяти, выводимые каждым оптическим прибором 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, одновременно пересекают расщепитель 216 луча.

[0096] При работе каждый оптический прибор 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 230a, 230b редкоземельного элемента, конструктивно и композиционно выполнен с возможностью поглощения и сохранения отдельных фотонов памяти, испускаемых генераторами 270a, 270b фотонов памяти. Например, когда формируемая спектральная структура создана в легирующей добавке 230 редкоземельного элемента каждого оптического прибора 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, и фотоны памяти пересекают каждый оптический прибор 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, каждый фотон памяти может переводить суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавке 230a, 230b редкоземельного элемента из первого расщепленного основного состояния G₁ в возбужденное энергетическое состояние E₁, как схематично показано на Фиг. 2, чтобы поглотить каждый соответствующий фотон памяти в каждом соответствующем оптическом приборе 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Кроме того, при получении первого импульса накачки, выдаваемого первым и вторым лазерами 280a, 280b накачки, каждый первый импульс накачки может переводить суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки 230a, 230b редкоземельного элемента каждого соответствующего оптического прибора 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики из возбужденного энергетического состояния E₁ во второе расщепленное основное состояние G₂, чтобы сохранить каждый фотон памяти.

[0097] Каждый оптический прибор 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, легированный легирующей добавкой 230a, 230b редкоземельного элемента, также конструктивно и композиционно выполнен с возможностью высвобождения по требованию фотона памяти, сохраненного в каждом оптическом приборе 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики. Например, при получении второго импульса накачки, выдаваемого третьим и четвертым лазерами 280a, 280b накачки, суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки 230a, 230b редкоземельного элемента переводится из второго расщепленного основного состояния G₂ обратно в возбужденное энергетическое состояние E₁. В возбужденном энергетическом состоянии E₁ формируемая спектральная структура легирующей добавки 230a, 230b редкоземельного элемента будет автоматически высвобождать фотоны памяти после периода задержки, так что фотоны памяти выходят из каждого оптического прибора 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, например из первых концов 226a, 226b каждого оптического прибора 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики.

[0098] Кроме того, если третий и четвертый лазеры 280с, 280d накачки испускают вторые импульсы накачки, которые одновременно принимаются первым и вторым оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики (например, при одновременном испускании вторых импульсов накачки), то первый и второй оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики будут одновременно высвобождать фотоны памяти (после периода задержки), позволяя фотонам памяти одновременно пересечь расщепитель 216 луча оптики 210 запутывания повторителя, запутывая при этом фотоны памяти. Кроме того, поскольку оптические приборы 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики имеют длительные времена жизни хранения фотона, один оптический прибор из легированной поликристаллической керамики 220a/220b может поглотить и сохранить первый фотон памяти прежде, чем другой оптический прибор из легированной поликристаллической керамики 220a/220b поглотит и сохранит второй фотон памяти, что позволяет фотонам памяти, которые не были одновременно получены оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики, быть одновременно высвобожденными оптическими приборами 220a, 220b из легированной поликристаллической керамики и запутанными оптикой 210 запутывания повторителя.

[0099] Как показано на Фиг. 5, оптическая система 200 может быть организована как генератор 301 запутанных фотонов, конструктивно выполненный с возможностью генерировать четыре или более запутанных фотонов, например, две или более запутанных пар фотонов. Кроме того, оптическая система 200 может быть расположена в одной или более цепей запутывания фотонов квантовой системы генерации ключа, например, квантовых систем генерации ключа, описанных в американской патентной заявке № 14/680522. Как изображено на Фиг. 5, оптическая система 200, организованная как генератор 301 запутанных фотонов, содержит первую систему 310a квантового повторителя, вторую систему 310b квантового повторителя, оптику 370 запутывания связи повторителя, расщепитель 375 пути и детектор 372 запутывания. Кроме того, первая и вторая системы 310a, 310b квантового повторителя могут содержать любую из систем 201 квантового повторителя, описанных выше со ссылкой на Фиг. 4.

[00100] В некоторых вариантах осуществления первая и вторая системы 310a, 310b квантового повторителя могут содержать оптику запутывания (например, оптику 210 запутывания повторителя, показанную на Фиг. 4), которая не включает в себя два детектора 214a, 214b запутывания, так что каждый запутывающий путь 212a, 212b может быть оптически связан с оптикой 370 запутывания связи повторителя генератора 301 запутанных фотонов. В других вариантах осуществления первая и вторая системы 310a, 310b квантового повторителя могут включать в себя детекторы 214a, 214b запутывания, и оптика 370 запутывания связи повторителя генератора 301 запутанных фотонов может быть оптически связана с каждым запутывающим путем 212a, 212b, например, когда детекторы 214a, 214b запутывания конструктивно выполнены с возможностью обнаружения фотонов памяти без из завершения.

[00101] Как показано на Фиг. 5, оптика 370 запутывания связи повторителя может содержать первый запутывающий путь 371a, оптически связанный и проходящий между первой системой 310a квантового повторителя и детектором 372 запутывания, и второй запутывающий путь 371b, оптически связанный и проходящий между второй системой 310b квантового повторителя и расщепителем 375 пути. Дополнительные запутывающие пути 371 возможны в вариантах осуществления, содержащих дополнительные системы 310 квантового повторителя. В некоторых вариантах осуществления оптика 370 запутывания связи повторителя дополнительно содержит расщепитель 373 луча, выполненный так, что каждый запутывающий путь 371a, 371b пересекает расщепитель 373 луча. При работе оптика 370 запутывания связи повторителя конструктивно выполнена с возможностью запутывать множественные фотоны (например, фотоны памяти), когда эти множественные фотоны одновременно пересекают расщепитель 373 луча. Например, когда каждая запутанная пара фотонов, выводимая первой и второй системами 310a, 310b квантового повторителя, одновременно пересекает расщепитель 373 луча, все четыре фотона запутываются друг с другом.

[00102] Кроме того, оптика 370 запутывания связи повторителя конфигурируется так, что некоторые или все запутанные фотоны, выводимые каждой из первой и второй систем 310a, 310b квантового повторителя, принимаются детектором 372 запутанности и/или расщепителем 375 пути. Например, когда первая запутанная пара фотонов выводится первой системой 310a квантового повторителя, и вторая запутанная пара фотонов выводится второй системой 310b квантового повторителя, и эти две запутанные пары фотонов запутываются друг с другом в расщепителе 373 луча, есть вероятность того, что будет получен один из по меньшей мере трех результатов, которые математически описываются волновой функцией: В первом результате как детектор 372 запутанности, так и расщепитель 375 пути принимают два из четырех запутанных фотонов, математически описываемых кэтом в вышеупомянутой волновой функции. Во втором результате детектор 372 запутанности принимает четыре запутанных фотона, математически описываемых одним из кэтов или в вышеупомянутой волновой функции. В третьем результате детектор 375 запутанности принимает четыре запутанных фотона, математически описываемых одним из кэтов или в вышеупомянутой волновой функции. В некоторых вариантах осуществления вероятность того, что расщепитель 375 пути получит четыре запутанных фотона, составляет примерно 3/8. Кроме того, возможны варианты осуществления, содержащие дополнительные параметрические даун-конверторы, так что дополнительные запутанные пары фотонов (например N запутанных фотонов) могут быть запутаны оптикой 370 запутывания связи повторителя. В одном варианте осуществления, содержащем N запутанных фотонов, вероятность того, что N запутанных фотонов будут приняты детектором 372 запутанности, расщепителем 375 пути или их комбинацией, математически описывается обобщенным кэтом:

[00103] Кроме того, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть и первого, и второго запутывающих путей 371a, 371b может содержать многожильные оптические волокна. Например, часть первого запутывающего пути 371a, которая проходит между расщепителем 373 луча и расщепителем 375 пути, и часть второго запутывающего пути 371b, которая проходит между расщепителем 373 луча и расщепителем 375 пути, могут содержать многожильное оптическое волокно. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть первого и второго запутывающих путей 371a, 371b может содержать один или более оптических волноводов.

[00104] В некоторых вариантах осуществления расщепитель 375 пути конструктивно выполнен с возможностью направлять запутанные пары фотонов в волоконно-оптический канал 360, оптически связанные с расщепителем 375 пути. Например, когда расщепитель 375 пути получает четыре запутанных фотона, он может направить два из четырех запутанных фотонов в один волоконно-оптический канал 360, а другие два из четырех запутанных фотонов - в другой волоконно-оптический канал 360. Волоконно-оптические каналы 360 могут содержать любое оптическое волокно, например, стеклянное оптическое волокно, содержащее единственную жилу или множество жил. Кроме того, в тех вариантах осуществления, в которых генератор 301 запутанных фотонов выполнен с возможностью генерировать более четырех запутанных фотонов, расщепитель 375 пути может направлять первое подмножество (например, примерно половину) запутанных фотонов в один волоконно-оптический канал 360 (например, в первый волоконно-оптический канал), и направлять второе подмножество (например, примерно половину) запутанных фотонов в другой волоконно-оптический канал 360 (например, во второй волоконно-оптический канал). В некоторых вариантах осуществления расщепитель 375 пути может содержать сплавленный двухконусный расщепитель, плоский светоделитель и т.п.

[00105] В некоторых вариантах осуществления детектор 372 запутанности конструктивно выполнен с возможностью измерения числа фотонов, принятых детектором 372 запутанности, что также обеспечивает информацию о числе фотонов, принятых расщепителем 375 пути. Например, если два запутанных фотона выводятся каждой из первой и второй систем 310a, 310b квантового повторителя и ноль запутанных фотонов принимается детектором 372 запутанности, тогда все четыре запутанных фотона принимаются расщепителем 375 пути. В некоторых вариантах осуществления детектор 372 запутанности может содержать многофотонный детектор. В альтернативных вариантах осуществления детектор 372 запутанности может содержать детектор одиночного фотона, например, однофотонный детектор из сверхпроводящей нанопроволоки, малошумный фотодиод и т.п.

[00106] Следует отметить, что упоминания в настоящем документе компонента настоящего изобретения, «конфигурируемого» некоторым конкретным способом для реализации одного конкретного свойства или для функционирования некоторым конкретным образом, относятся к структуре, а не к предполагаемому использованию. Более конкретно, ссылки в настоящем документе на способ, которым «конфигурируется» компонент, обозначают существующее физическое состояние компонента, и по сути должны восприниматься как относящиеся к структурным характеристикам этого компонента.

[00107] Для целей описания и определения настоящего изобретения следует отметить, что термин «примерно» используется в настоящем документе для представления изначальной степени неопределенности, которая может быть приписана любому количественному сравнению, значению, измерению или другому представлению. Термин «примерно» также используется в настоящем документе для представления степени, в которой количественное представление может изменяться от указанного значения без изменений в основной функции рассматриваемого предмета.

[00108] Завершая подробное описание предмета настоящего раскрытия со ссылками на конкретные варианты его осуществления, следует отметить, что различные детали, раскрытые в настоящем документе, не должны рассматриваться как относящиеся к элементам, которые являются существенными компонентами различных описанных в настоящем документе вариантов осуществления, даже в тех случаях, когда конкретный элемент проиллюстрирован на каждом из чертежей, которые сопровождают настоящее описание. Кроме того, должно быть очевидным, что возможны различные модификации и вариации без отступления от области охвата настоящего раскрытия, включая, но не ограничиваясь этим, варианты осуществления, определяемые в прилагаемой формуле изобретения. Более конкретно, хотя некоторые аспекты настоящего раскрытия идентифицированы в настоящем документе как предпочтительные или особенно выгодные, следует понимать, что настоящее изобретение не обязательно ограничено этими аспектами.

[00109] Следует отметить, что один или более пунктов следующей формулы изобретения используют термин «причем» в качестве переходной фразы. Для целей определения настоящего изобретения следует отметить, что этот термин вводится в пункты формулы изобретения как переходная фраза открытого типа, которая используется для введения описания ряда характеристик структуры и должна интерпретироваться аналогично более широко используемому термину преамбулы открытого типа «содержащий».

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении эффективности хранения фотона в оптическом приборе. Система квантовой памяти содержит оптический прибор из легированной поликристаллической керамики, блок генерации магнитного поля, генератор фотонов памяти и один или более лазеров накачки, причем оптический прибор из легированной поликристаллической керамики расположен в магнитном поле блока генерации магнитного поля, когда блок генерации магнитного поля генерирует магнитное поле; один или более лазеров накачки оптически связаны с оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики; и генератор фотонов памяти оптически связан с оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики и конструктивно выполнен с возможностью вывода запутанной пары фотонов памяти, содержащей первый запутанный фотон памяти, запутанный со вторым запутанным фотоном памяти; оптический прибор из легированной поликристаллической керамики легирован легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система квантовой памяти, содержащая оптический прибор из легированной поликристаллической керамики, блок генерации магнитного поля, генератор фотонов памяти и один или более лазеров накачки, причем:

оптический прибор из легированной поликристаллической керамики расположен в магнитном поле блока генерации магнитного поля, когда блок генерации магнитного поля генерирует магнитное поле;

упомянутые один или более лазеров накачки оптически связаны с оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики; и

генератор фотонов памяти оптически связан с оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики и конструктивно выполнен с возможностью вывода запутанной пары фотонов памяти, содержащей первый запутанный фотон памяти, запутанный со вторым запутанным фотоном памяти;

оптический прибор из легированной поликристаллической керамики легирован легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

2. Система квантовой памяти по п. 1, причем упомянутые один или более лазеров накачки выполнены с возможностью облучения оптического прибора из легированной поликристаллической керамики и генерации формируемой спектральной структуры в легирующей добавке редкоземельного элемента оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

3. Система квантовой памяти по п. 2, причем легирующая добавка редкоземельного элемента выполнена с возможностью поглощать фотон памяти, пересекающий оптический прибор из легированной поликристаллической керамики, когда (i) фотон памяти переводит суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки редкоземельного элемента из первого расщепленного основного состояния в возбужденное энергетическое состояние, и (ii) при получении первого импульса накачки, выдаваемого упомянутыми одним или более лазерами накачки и переводящего суперпозицию формируемой спектральной структуры легирующей добавки редкоземельного элемента из возбужденного энергетического состояния во второе расщепленное основное состояние; и

легирующая добавка редкоземельного элемента выполнена с возможностью высвобождения фотона памяти, когда (i) суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки редкоземельного элемента переводится из второго расщепленного основного состояния в возбужденное энергетическое состояние при получении второго импульса накачки, выдаваемого упомянутыми одним или более лазерами накачки, и (ii) суперпозиция формируемой спектральной структуры легирующей добавки редкоземельного элемента автоматически высвобождает фотон памяти после периода задержки, так что фотон памяти выходит из оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

4. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-3, причем оптический прибор из легированной поликристаллической керамики содержит оксид иттрия, оксид циркония или их комбинации.

5. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-4, причем оптический прибор из легированной поликристаллической керамики не содержит пустот.

6. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-5, причем:

оптический прибор из легированной поликристаллической керамики представляет собой оптический волновод из легированной поликристаллической керамики, имеющий поликристаллическую керамическую сердцевину и оболочку, окружающую эту поликристаллическую керамическую сердцевину;

оболочка имеет показатель преломления, который ниже, чем показатель преломления поликристаллической керамической сердцевины; и

поликристаллическая керамическая сердцевина оптического волновода из легированной поликристаллической керамики легирована легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке поликристаллической керамической сердцевины.

7. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-6, причем легирующая добавка редкоземельного элемента содержит эрбий, тулий, празеодим или их комбинацию.

8. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-7, причем легирующая добавка редкоземельного элемента составляет от примерно 0,05% до примерно 0,15% от полной молекулярной массы легированной поликристаллической керамики.

9. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-8, причем упомянутые один или более лазеров накачки содержат первый лазер накачки, оптически связанный с первым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, и второй лазер накачки, оптически связанный со вторым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

10. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-9, дополнительно содержащая оптический циркулятор, оптически связанный с первым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, причем:

оптический циркулятор содержит первый оптический порт, второй оптический порт и третий оптический порт;

оптический циркулятор расположен между генератором фотонов памяти и первым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики так, что первый оптический порт оптического циркулятора оптически связан с генератором фотонов памяти, а второй оптический порт оптически связан с первым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики;

оптический циркулятор расположен между по меньшей мере одним из упомянутых одного или более лазеров накачки и первым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики так, что первый оптический порт оптического циркулятора оптически связан с по меньшей мере одним из упомянутых одного или более лазеров накачки, а второй оптический порт оптически связан с первым концом оптического прибора из легированной поликристаллической керамики; и

третий оптический порт оптического циркулятора оптически связан с мультиплексором с разделением по длинам волн.

11. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-10, причем:

упомянутые один или более лазеров накачки конструктивно выполнены с возможностью генерации первого фотона накачки, имеющего первую длину волны фотона накачки, и второго фотона накачки, имеющего вторую длину волны фотона накачки; и

каждая из первой длины волны фотона накачки и второй длины волны фотона накачки находится в пределах примерно 20 нм от пика поглощения оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, легированного легирующей добавкой редкоземельного элемента.

12. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащая систему охлаждения, термически связанную с оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики, причем:

система охлаждения содержит охлаждающую камеру, и оптический прибор из легированной поликристаллической керамики расположен в этой охлаждающей камере; и

система охлаждения содержит систему охлаждения лазера, и оптический прибор из легированной поликристаллической керамики оптически связан с этой системой охлаждения лазера.

13. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-12, причем легирующая добавка редкоземельного элемента, введенная в оптический прибор из легированной поликристаллической керамики, выполнена с возможностью хранения фотона памяти в течение времени жизни хранения фотона, составляющего от примерно 500 нс до примерно 1 мс.

14. Система квантовой памяти по любому из пп. 1-13, причем легирующая добавка редкоземельного элемента, введенная в оптический прибор из легированной поликристаллической керамики, выполнена с возможностью поглощения примерно 50% или более фотонов памяти, пересекающих оптический прибор из легированной поликристаллической керамики.

15. Оптическая система, включающая в себя систему квантового повторителя, один или более блоков генерации магнитного поля и один или более лазеров накачки, причем:

система квантового повторителя включает в себя два оптических прибора из легированной поликристаллической керамики и оптику запутывания повторителя;

каждый оптический прибор из легированной поликристаллической керамики системы квантового повторителя расположен в магнитном поле упомянутых одного или более блоков генерации магнитного поля, когда эти один или более блоков генерации магнитного поля генерируют магнитное поле;

каждый оптический прибор из легированной поликристаллической керамики системы квантового повторителя легирован легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики и составляет от примерно 0,01% до примерно 2% от полной молекулярной массы легированной поликристаллической керамики;

по меньшей мере один из упомянутых одного или более лазеров накачки оптически связан с каждым оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики системы квантового повторителя; и

оптика запутывания повторителя включает в себя два запутывающих пути, оптически связанных с каждым оптическим прибором из легированной поликристаллической керамики, и расщепитель луча, расположенный так, что каждый запутывающий путь пересекает расщепитель луча.

16. Оптическая система по п. 15, причем оптика запутывания повторителя дополнительно включает в себя два детектора запутывания, оптически связанных с упомянутыми двумя запутывающими путями.

17. Оптическая система по п. 15 или 16, причем:

система квантового повторителя представляет собой первую систему квантового повторителя, а оптическая система дополнительно включает в себя вторую систему квантового повторителя, оптику запутывания связи повторителя, расщепитель пути и детектор запутывания;

причем вторая система квантового повторителя включает в себя два оптических прибора из легированной поликристаллической керамики и оптику запутывания повторителя;

каждый оптический прибор из легированной поликристаллической керамики второй системы квантового повторителя расположен в магнитном поле упомянутых одного или более блоков генерации магнитного поля, когда упомянутые один или более блоков генерации магнитного поля генерируют магнитное поле;

каждый оптический прибор из легированной поликристаллической керамики второй системы квантового повторителя легирован легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики; и

оптика запутывания связи повторителя включает в себя первый запутывающий путь, оптически связанный с и проходящий между первой системой квантового повторителя и детектором запутывания, и второй запутывающий путь, оптически связанный с и проходящий между второй системой квантового повторителя и расщепителем пути.

18. Оптическая система по п. 17, причем оптика запутывания связи повторителя дополнительно содержит расщепитель луча, расположенный так, что каждый запутывающий путь пересекает расщепитель луча; и

причем оптика запутывания связи повторителя конструктивно выполнена с возможностью запутывать запутанные пары фотонов, выводимые первой и второй системами квантового повторителя, когда каждая запутанная пара фотонов, выводимая первой и второй системами квантового повторителя, одновременно пересекает расщепитель луча, причем расщепитель пути конструктивно выполнен с возможностью направлять два запутанных фотона в первый волоконно-оптический канал и направлять два запутанных фотона во второй волоконно-оптический канал.

19. Способ производства оптического прибора из легированной поликристаллической керамики, включающий в себя:

смешивание множества комплексов переходных металлов и множества комплексов редкоземельных металлов с образованием раствора солей металлов;

нагревание раствора солей металлов с образованием нагретого раствора солей металлов;

смешивание нагретого раствора солей металлов и органического прекурсора, чтобы вызвать химическую реакцию между нагретым раствором солей металлов и органическим прекурсором с получением множества легированных редкоземельным металлом наночастиц, каждая из которых имеет диаметр примерно 200 нм или менее, причем температура органического прекурсора меньше, чем температура нагретого раствора солей металлов, когда нагретый раствор солей металлов смешивают с органическим прекурсором; и

спекание упомянутого множества легированных редкоземельным металлом наночастиц с образованием оптического прибора из легированной поликристаллической керамики с легирующей добавкой редкоземельного элемента, которая равномерно распределена в кристаллической решетке оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

20. Способ по п. 19, дополнительно содержащий оптическое соединение первого и второго лазеров накачки с противоположными концами оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

21. Способ по п. 19 или 20, причем в упомянутом множестве легированных редкоземельным металлом наночастиц каждая наночастица имеет диаметр примерно 40 нм или менее.

22. Способ по любому из пп. 19-21, причем упомянутое множество легированных редкоземельным металлом наночастиц спекают при температуре спекания примерно 1300°C или выше в течение периода спекания с образованием оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.

23. Способ по любому из пп. 19-22, причем:

упомянутое множество комплексов переходных металлов содержит соли металлов с цирконием, соли металлов с иттрием или их комбинации; и

органический прекурсор содержит мочевину, гидроксид аммония или их комбинации.

24. Способ по любому из пп. 19-22, дополнительно содержащий охлаждение оптического прибора из легированной поликристаллической керамики.