一种基于超导芯片的微波光波转换实验装置及方法

技术领域

本发明涉及微波光波转换技术领域，特别涉及一种基于超导芯片的微波光波转换实验装置及方法。

背景技术

目前，实现一个既能快速进行运算的超导量子计算，且能够高效高保真进行传输信号的量子通信体系，是需要依靠一个稳定可靠的相干频率转换系统来完成，而为了实现高效率、高保真度和高带宽的微波光波信息相互转换，科研工作者们对各种方案展开了深入的研究，不断提高其转换效率和保真度。

现有技术中，在室温下里得堡原子的自由空间转换已经被证明，不过在低温条件下将原子耦合到高质量因子超导谐振器则尚未过多提及，但其对实现低热噪声和高效率的超导量子位转导亦是十分重要的，其中，超导量子电路与冷原子系综之间的量子信息的保真度和速度与原子耦合到超导谐振器的耦合强度成正相关，要实现高保真度的量子态传输就需要先实现原子与超导量子比特之间的强耦合，现技术通常采取的解决方式是利用原子的基态磁偶极矩与微波谐振腔进行磁耦合，这个过程需要尽可能地将冷原子靠近超导量子电路，通常的方式是在超导芯片表面囚禁冷原子，但是，由于在原子系综与共面波导谐振腔之间的相干耦合过程中冷原子与超导芯片之间的距离较远，因此冷原子与超导芯片之间实现的耦合强度还不到1KHz，不能满足超导量子电路与冷原子系综之间量子信息传输的高保真度需求。

所以，研究一种在超导芯片上可以实现冷原子与超导比特之间强耦合的高保真、高效率微波光波转换装置及方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超导芯片的微波光波转换实验装置及方法，以解决现有冷原子与超导比特之间无法实现强耦合的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了两个方面的技术特征，在第一方面，本发明提供了一种基于超导芯片的微波光波转换实验装置，包括第一超导芯片、第二超导芯片、磁力机构和光源机构；所述第一超导芯片与所述第二超导芯片堆叠布置；所述第一超导芯片用于形成第一磁场，所述磁力机构用于形成第二磁场，所述第一磁场和所述第二磁场用于共同在所述第一超导芯片外表面形成囚禁冷原子的磁阱；所述第二超导芯片具备谐振腔，所述谐振腔与所述第一超导芯片抵接，沿垂直于所述第二超导芯片的正表面的方向上，所述谐振腔与所述磁阱相对布置，所述谐振腔用于释放共振微波信号；所述光源机构的出射光源对准所述磁阱，囚禁的所述冷原子用于在共振微波信号和光源的共同作用下发出光波光子；利用第一超导芯片以及磁力机构形成的磁阱囚禁住冷原子，并将带有谐振腔的第二超导芯片堆叠在第一超导芯片上，在同一堆叠方向上，磁阱与谐振腔共线相对布置，实现冷原子与谐振腔形成同一直线上的最短距离，保证了冷原子与谐振腔间的强耦合，提升了微波光波的转换效率，进一步确保超导量子电路与冷原子系综之间的量子信息的高保真度和高效率。

在第一方面的一些实施例中，所述磁阱的囚禁中心与所述谐振腔之间的距离为9～11um，在该距离下，冷原子与谐振腔的耦合强度达到最优，因此该距离是本方案的最优选距离。

在第一方面的一些实施例中，所述第一超导芯片设有第一导线，所述磁阱形成于所述第一导线的表面，所述磁阱的位置大小至少大于所述第一导线的宽度，为了避免磁阱受到迈斯纳效应的影响从而不能产生磁场，磁阱的位置要大于第一超导芯片的导线宽度。

在第一方面的一些实施例中，所述第一导线用于形成所述第一磁场；所述磁力机构包括多个磁圈，多个所述磁圈相对布置以形成匀强的所述第二磁场，所述第二磁场覆盖所述第一超导芯片，通过这样的布置方式，第一磁场和第二磁场能在第一超导芯片的外表面形成磁阱。

在第一方面的一些实施例中，所述第一导线的电流大小为所述第一导线的理论临界电流大小。

在第一方面的一些实施例中，所述第一超导芯片设有相互电性连接的第一导线和多个第一片体，所述第一导线从其中一个所述第一片体延伸至另一所述第一片体上；所述第二超导芯片设有相互电性连接第二导线和多个第二片体，所述第二导线从其中一个所述第二片体延伸至另一所述第二片体上；所述第二导线与所述谐振腔连接，所述谐振腔与所述第一导线叠合布置，所述磁阱布置于远离所述谐振腔一侧的所述第一导线的表面，磁阱与谐振腔隔着第一导线的布置方式能最可靠和稳定的保持冷原子能贴近谐振腔，从而使冷原子与谐振腔能实现强耦合。

在第一方面的一些实施例中，还包括检测分析机构和光学元件组；所述检测分析机构包括光电二极管和频谱分析仪；所述光学元件组包括第一半玻片、第一偏振分光棱镜、第一四分一玻片、第二四分一玻片、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第三半玻片和声光调制器；沿所述出射光源的出射方向上，所述光源机构与所述磁阱之间的光源路径上依次设有所述第一半玻片、所述第一偏振分光棱镜和所述第一四分一玻片；沿所述光波光子的出射方向上，依次设有所述第二四分一玻片、所述第二半波片、所述第二偏振分光棱镜、所述光电二极管和所述频谱分析仪；沿所述第一偏振分光棱镜的分光方向上，依次设有所述第三半玻片和所述声光调制器，所述第一偏振分光棱镜的分光汇合于所述第二偏振分光棱镜，即光源机构发出的光源分为强弱两束光，强光射入磁阱产生光波光子，弱光通过声光调制器进行频率的移动作为参考光，将参考光和广播光子一同射入光电二极管后，利用频谱分析仪进行拍频信号的处理，能够得到拍频差值与光功率之间的关系，即可得到转换出来的光波功率大小。

第二方面，本发明提供了一种基于超导芯片的微波光波转换实验方法，应用了基于超导芯片的微波光波转换实验装置，包括以下步骤：

S1，抓取冷原子，利用磁性光学捕集腔抓取偏振态冷原子；

S2，囚禁冷原子，将偏振态冷原子转移至低温真空腔内，并抬升至所述磁阱内，利用所述磁阱将偏振态冷原子囚禁在所述第一超导芯片表面；

S3，制备光波光子，利用所述光源机构的出射光源照射偏振态冷原子，且所述谐振腔对偏振态冷原子进行共振微波辐射，所述冷原子释放出共振光波光子。

在第二方面的一些实施例中，在步骤S1中，具体包括以下步骤：

S10，利用磁性光学捕集腔进行磁光阱的装载，利用所述磁光阱获得冷原子；

S11，压缩所述磁光阱，得到原子团密度增大的冷原子；

S12，对原子团密度增大后的冷原子进行偏振梯度冷却，得到冷却后的偏振态冷原子。

本发明的有益效果如下：

在本发明的第一方面，由于第一超导芯片和第二超导芯片堆叠布置，第一超导芯片的外表面形成有磁阱，第二超导芯片上的谐振腔与第一超导芯片抵接布置，并且，在第一超导芯片和第二超导芯片的堆叠方向上，磁阱与谐振腔相对布置，即在同一直线上，磁阱与谐振腔相隔第一超导芯片布置，在进行应用时，在迈斯纳效应的影响下，实现磁阱与谐振腔的最短距离布置，保证了冷原子与谐振腔间的强耦合，提升了微波光波的转换效率，进一步确保超导量子电路与冷原子系综之间的量子信息的高保真度和高效率。

在本发明的第二方面，由于冷原子是通过磁性光学捕集腔进行捕获，捕获得到的冷原子都具有确定的偏振态，简化后续实验的操作，并且结合低温真空腔，能够很好的集中光波能量，让激光可以更长时间与冷原子进行转换，有利于增大微波光波转换过程的转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施例一提供的整体结构原理示意图；

图2是本发明优选实施例一提供的第一超导芯片和第二超导芯片布置结构透视示意图；

图3是本发明优选实施例一提供的磁阱与谐振腔布置结构剖视示意图；

图4是本发明优选实施例一提供的第一超导芯片结构示意图；

图5是本发明优选实施例一提供的第二超导芯片结构示意图；

图6是本发明优选实施例一提供的冷原子微波光波转换的理论示意图；

图7是本发明优选实施例一提供的磁阱结构示意图；

图8是本发明优选实施例二提供的整体结构示意图；

图9是本发明优选实施例三提供的磁性光学捕集腔、插拔阀和低温真空腔的结构示意图；

图10是本发明优选实施例三提供的磁场布置示意图；

图11是本发明提供的耦合强度与空间位置的仿真示意图。

附图标记如下：

1、第一超导芯片；10、第一片体；11、第一导线；

2、第二超导芯片；20、谐振腔；21、第二片体；22、第二导线；

3、磁力机构；4、光源机构；5、磁阱；6、PCB板；60、微波信号传输线；61、微波源；7、磁性光学捕集腔；

8、低温真空腔；80、抬升机构；81、稳定机构；

9、插拔阀；

a、检测分析机构；a1、光电二极管；a2、频谱分析仪；

b、光学元件组；b1、第一半玻片；b2、第一反射镜；b3、第一偏振分光棱镜；b4、第一四分一玻片；b5、第二四分一玻片；b6、第二半波片；b7、第二偏振分光棱镜；b8、第二反射镜；b9、第三半玻片；b10、声光调制器；b11、第三反射镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

超导量子计算系统与量子通信系统结合是目前的技术热门，要将超导量子计算系统与量子通信系统结合起来，实现一个既能进行快速进行运算的超导量子计算，又能够高效高保真进行传输信号的量子通信体系，那么就需要一个稳定可靠的相干频率转换系统，而为了实现高效率、高保真度和高带宽的微波光波信息相互转换，科研工作者们对各种方案展开了深入的研究，不断提高其转换效率和保真度，而超导量子电路与冷原子系综之间的量子信息的保真度和速度取决于原子耦合到超导谐振器的耦合强度，现有技术通常是利用原子的基态磁偶极矩与微波谐振腔进行磁耦合，并且保证在此过程中原子要尽可能靠近超导量子电路，但现有技术上，由于迈斯纳效应以及实验装置的设计问题，导致于原子与超导芯片之间的距离较远，原子与超导芯片之间实现的耦合强度还不到1KHz，无法满足超导量子电路与冷原子系综之间量子信息传输的高保真度。

为了解决原子与超导芯片之间实现的耦合强度不高的问题，本发明提供一种基于超导芯片的微波光波转换实验装置，利用磁场在第一超导芯片外形成囚禁冷原子的磁阱，并且将第二超导芯片的谐振腔贴合第一超导芯片布置，谐振腔与磁阱在同一直线上布置，实现冷原子与谐振腔的最短距离布置，从而在利用原子的基态磁偶极矩与微波谐振腔进行磁耦合时能有效提高原子与超导芯片之间实现的耦合强度，进而实现超导量子电路与冷原子系综之间量子信息传输的高保真度和高转换效率，具体的，下文将以优选实施例进行具体说明。

实施例一

请参照图1至图7，包括第一超导芯片1、第二超导芯片2、磁力机构3和光源机构4，第一超导芯片1和第二超导芯片2堆叠布置，第一超导芯片1形成的第一磁场配合磁力机构3形成的第二磁场，在第一超导芯片1的外表面形成磁阱5，并且第二超导芯片2的谐振腔20与第一超导芯片1抵接布置，在沿垂直于第二超导芯片2正表面的方向上，谐振腔20与磁阱5相对布置，使得谐振腔20与磁阱5的距离能保持在最短，而光源机构4的出射光线对准磁阱5，在进行应用时，在沿垂直于第二超导芯片2正表面的方向上，磁阱5与谐振腔20是保持相对布置的，并且磁阱5形成于第一超导芯片1的外表面，谐振腔20抵接贴合于第一超导芯片1上，两者又保持相对布置的位置，所以，囚禁在磁阱5的冷原子与谐振腔20能保持在最短距离，有效加强了冷原子与谐振腔20的耦合强度，而冷原子在光源机构4射出的光源以及谐振腔20发出的微波信号的共同作用下，实现冷原子的微波光波转换而释放出光波光子。

在本申请的实施例中，冷原子优选采用铷原子(元素符号Rb)。

为帮助理解，本申请将给出冷原子微波光波转换的理论，如图6给出了

其中，图6中的①为

而实现微波-光波的频率转换需要图6中所示的一个强光场和一个微波场，简单说明就是当强光场存在且能够使得铷原子的|2>，|3>产生共振时，会将处于|2>的原子全都激发到|3>上；激发到|3>激发态的原子又会快速进行耗散使得原子回到基态|1>或|2>上，其中回到|2>的原子会在光场的作用下重新被激发到激发态|3>；那么最终原子系综会形成一个稳定的平衡状态，此时的原子基本上都处于基态|1>；当处于原子基本上都处于基态|1>时，加入一个微波场，使得原子可以从基态|1>跃迁到基态|2>，那么原子就可以实现在|1>、|2>、|3>能级间的不断循环跃迁，而原子从激发态|3>跃迁到基态|1>的过程中会释放一个光波光子,也就是说通过加入一个微波波段的微波信号我们可以转换得到一个光波波段的光信号，这就是微波光波转换的理论实现过程。

根据图6所示三能将结构，对该三能级微波光波转换进行理论计算其转换效率，计算理论公式为：

其中上式中为η图1中三能将系统的微波光波转换的效率、

其中，C

所以根据上述理论中微波光波转换效率公式，通过增大微波谐振腔20与冷原子系综的耦合强度是可以提高转换效率的，即实现第二超导芯片2的谐振腔20与冷原子的强耦合可提高微波光波转换的转换效率，以上即是对冷原子微波光波转换的理论的具体阐述。

在本申请的实施例中，请参照图2至图3，有关上述的第一超导芯片1和第二超导芯片2，第一超导芯片1和第二超导芯片2利用低温胶紧密贴合连接，并且，第二超导芯片2的厚度为第一超导芯片1所产生的迈斯纳效应边界至第一超导芯片1的外表面的距离，即第二超导芯片2的厚度是可以覆盖第一超导芯片1一侧的迈斯纳效应范围，在采用此种设置方式后，一方面，可以充分利用空间，保证第一超导芯片1与第二超导芯片2之间的稳定位置；另一方面，也是由于第二超导芯片2的厚度基本上刚好覆盖第一超导芯片1的迈斯纳效应，而冷原子被囚禁的位置距离第一超导芯片1的迈斯纳效应产生作用的位置很近，冷原子与第二超导芯片2的谐振腔20的间距仅为一侧迈斯纳效应范围的大小加上第一超导芯片1的厚度大小，这样就使得第二超导芯片2的谐振腔20能够很好地靠近被囚禁的冷原子。

需要指出的是，若第二超导芯片2的厚度太小就会距离磁阱5(冷原子)较远，那么谐振腔20与冷原子的耦合强度会比较弱；若第二超导芯片2的厚度太大，则会覆盖到囚禁冷原子的磁阱5，磁阱5无法抓取冷原子，所以，将第二超导芯片2的厚度保持在第一超导芯片1所产生的迈斯纳效应边界至第一超导芯片1的外表面的距离则为最佳选择。

对于第一超导芯片1而言，如图4所示，第一超导芯片1设有相互电性连接的第一导线11和两个第一片体10，两个第一片体10分别置于图4中的上下两侧，两个第一片体10与PCB板6连接，利用Bounding机实现超导芯片与传输线间的连通，第一导线11从上端的第一片体10延伸至下端的第一片体10，第一导线11的走线包括从图4上侧至下侧，依次包括第一水平段、第一竖向段、第二水平段、第二竖向段和第三水平段，连起来形如半个“凸”字，第一导线11用于形成第一磁场。

具体的，第一超导芯片1为超导Z芯片，第一超导芯片1整体的芯片宽度为100um，其大小为10mm*10mm，第一导线11的直径优选为0.5mm，第一导线11的第一水平段尺寸为3.1mm，第一竖向段尺寸为4mm、第二水平段为4.1mm、第二竖向段为4.9mm和第三水平段为7.2mm。

在本申请的实施例中，第一超导芯片1的第一导线11电流为第一导线11相匹配的理论临界电流大小，其第一导线11电流的大小，本领域技术人员可以根据选择的第一导线11的理论临界电流大小来选择第一导线11的电流大小。

优选地，在本方案中第一导线11电流大小为2A，应当理解的是，第一导线11上的电流是越大越好，因为这样能使得磁阱5越深，装载冷原子就变得更容易，但本方案的电流受限于导线的宽度，只能加到理论临界电流(＝横截面积*临界电流密度＝500nm*100μm*5MA/cm

对于第二超导芯片2而言，如图5所示，第二超导芯片2设有相互电性连接的第二导线22和多个第二片体21，两个第二片体21分别置于图5中的上下两侧，两个第二片体21与PCB板6连接，利用Bounding机实现超导芯片与传输线间的连通，第二导线22从上端的第二片体21延伸至下端的第二片体21，第二导线22的走线从图5上侧至下侧，依次包括第一水平线段、第一竖向线段、第二水平线段、第二竖向线段、第三水平线段、第三竖向线段和第四水平线段，连起来形如“凸”字，第二导线22与谐振腔20连接。

具体的，第二超导芯片2整体的芯片宽度为100um，其大小为10mm*6mm，第二导线22的直径优选为0.5mm，第二导线22的第一水平线段尺寸为3.05mm、第二水平段为4.13mm、第三水平段为4.13mm和第四水平线段尾3.05mm。

在本申请的实施例中，有关上述的谐振腔20与磁阱5，请参照图2和图3，为了为加强冷原子与超导谐振腔20的耦合强度，冷原子应尽可能得靠近超导谐振腔20，但是由于超导芯片存在迈斯纳效应，会排斥超导体内部磁场，这也决定了冷原子不能够接触到超导芯片，因此，本申请中第一超导芯片1与第二超导芯片2是上下堆叠布置的，使得谐振腔20与磁阱5是在竖直方向上相对布置的，保证谐振腔20的位置使能在同一轴线上对上磁阱5的位置。

具体的，谐振腔20与第一导线11抵接叠合布置，磁阱5布置于远离谐振腔20一侧的第一导线11的表面，即在同一竖直线上，谐振腔20与磁阱5的距离仅为第一导线11的厚度以及第一导线11远离谐振腔20侧的迈斯纳范围厚度。

需要指出的是，根据迈斯纳效应可知，超导芯片附近与超导芯片内超导导线宽度大小相同位置均会受到迈斯纳效应的影响从而不能产生磁场。

在本申请的一些实施例中，谐振腔20外表与磁阱5的囚禁中心之间的距离优选为10um。

其中，磁阱5的囚禁中心是指囚禁冷原子的空间位置。

需要理解的是，超导芯片都会产生一个迈斯纳效应的范围，(这个迈斯纳效应的范围是在其芯片表面产生的，即距离芯片表明的某个距离范围内均有该效应)其范围大小与超导芯片导线的宽度有关(与芯片的厚度无关)，第一超导芯片1(超导Z芯片)的导线宽度约为100um，所以超导Z芯片迈斯纳效应范围约为100um,即文章中一直所提到的迈斯纳效应作用范围大小，而第二超导芯片2的导线宽度约为2.4um，即超导LC芯片的迈斯纳效应范围只有2.4um，之前文章写的时候是说超导LC芯片的导线宽度很小，其产生的迈斯纳效应的影响范围很小，而我们目标是冷原子距离LC芯片10um，能够满足实验需求，因此便可以忽略掉这个对我们实验没有影响的超导LC芯片的迈斯纳效应，这样就可以将超导LC芯片的100um刚好放置于超导Z芯片所产生的迈斯纳效应范围的间隔之中，然后使得超导谐振腔与冷原子之间的距离为10um。

磁阱5是由磁力机构3的磁圈形成的第二磁场和第一超导芯片1的第一磁场共同形成的，当第二磁场越大，磁阱5越深(即磁阱5距离第一超导芯片1的位置越近)，通过仿真实验，拟合出对应的耦合强度与空间位置的关系图像，如图11所示。

具体地，假设验过程中第二超导芯片2与N＝10

在本申请的一些实施例中，如图3所示，谐振腔20与磁阱5相隔着第一超导芯片1布置，在采用此种设置方式后，磁阱5可以直接捕获从外界捕获冷原子，能对冷原子进行准确的装载。

对于谐振腔20与磁阱5的其他放置方式，譬如，谐振腔20直接与磁阱5抵接的话，可能的情景是磁阱5会夹在第一超导芯片1和第二超导芯片2之间，但在这种情况下，初始的冷原子团大小就得比这两块芯片之间的迈斯纳范围间距要小，而比两块芯片之间的迈斯纳范围大的冷原子都无法被囚禁，严重影响冷原子与谐振腔20的耦合强度；如果是磁阱5与谐振腔20布置在同一平面上，但磁阱5是由第一芯片的磁场和一个外部磁场共同组成的，而谐振腔20则是第二芯片自带的，第一芯片和第二芯片的迈斯纳效应范围都会影响磁阱5位置选择，从而导致谐振腔20无法与磁阱5抵接，因此此种设想实现难度高，需要复杂且精密地计算才可能实现。

在本申请的实施例中，对于磁阱5而言，磁阱5是由第一磁场和第二磁场的磁场作用下共同形成的，磁阱5的囚禁空间为长条状空间，磁阱5是形成于第一超导芯片1的外表面，如图7所示，图7分别展示了磁阱在X方向上(图7左起第一张)、Y方向上(图7左起第二张)和Z方向上(图7右起第一张)的囚禁势能大小(磁阱5的阱深)，从图7可知，该磁阱X、Y方向上对称，Z方向上距离原点有一定距离，并且磁力机构3的线圈产生的磁场越大其磁阱越深(理论能装载更多冷原子)；即整体上看，该磁阱5在X方向为长条状，Y方向、Z方向能产生磁阱的范围较小，因此整体磁阱5的囚禁空间为长条状空间，磁阱5的大小为X方向0.2mm，Y方向0.04mm，Z方向0.04mm。

需要指出的是，X、Y和Z方向如图2所示，首先将图二看着是一个二维图片情况，则X方向代表二维图片中水平向左方向(←)，Y方向代表二维图片中向上方向(↑)，考虑三维的情况，则Z方向代表垂直于纸面向上的情况(↑)。

对于第一磁场而言，第一磁场是由第一超导芯片1的第一导线11形成的，如前所述，第一磁场的强度主要与第一导线的最大理论临界电流相关，在本申请中优选采用第一导线的电流优选为2A。

对于第二磁场而言，第二磁场是由磁力机构3形成的，第二磁场是匀强磁场，第二磁场能覆盖第一超导芯片1，第二磁场的磁场方向是如图5中的第二超导芯片2的宽度方向相同，在采用此种设置方式后，使得第一超导芯片1产生的第一磁场在第一超导芯片1的附近都存在着匀强的第二磁场。

在本申请的一些实施例中，磁力机构3包括两个磁圈，两个磁圈相对布置于第一超导芯片1的两侧(图2中的上下两侧)，在采用此种设置方式后，两个磁圈可以形成匀强的第二磁场。

优选地，磁圈采用亥姆霍兹线，其余能实现该功能的磁圈都可以进行选择，磁圈的线圈圈数为ny＝100；线圈距离(线圈中心距离原点位置)z

需要指出的是，线圈电流的方向沿图10中靠近屏幕内侧向屏幕外侧流动。

在本申请的一些可能的实施例中，磁阱5的位置是要大于第一超导芯片1的导线宽度，所述磁阱的中心位置距离所述第一导线表面的距离大于第一导线的宽度，以使磁阱5能减小第一超导芯片1的迈斯纳效应的影响。

需要指出的是，迈斯纳效应范围大小与第一导线宽度大致相同，因此要想囚禁原子得让磁阱位置处于迈斯纳效应范围之外，即磁阱中心位置距离第一导线表面的距离要大于第一导线的宽度。

在本申请的实施例中，对于谐振腔20而言，如图5所示，谐振腔20是第二超导芯片2上的谐振腔20，谐振腔20与第二超导芯片2的第二导线22连接，第二超导芯片2优选采用超导LC芯片，使得谐振腔20为LC谐振腔20，而利用超导LC芯片能够使得加工出来的LC谐振腔20具有极高的Q值，而增大超导LC芯片的Q值即可减小微波谐振腔20的大小，两者之间为负相关关系，通过这种方式同样可以提高微波光波转换的转换效率。

在本申请的实施例中，有关上述的光源机构4，光源机构4优选采用为激光功率放大器(Tapered amplifier，TA)，TA激光器发出的光为线偏振光，经过锁频及相应的移频后得到能够使得铷原子基态|2>与激发态|3＞态共振的激光。

总结本申请的实施例一，其一方面通过将谐振腔20抵接布置在第一超导芯片1、磁阱5形成于第一超导芯片1的表面，并且谐振腔20与磁阱5布置于同一垂直线上，使得被磁阱5囚禁的冷原子能以最短的距离靠近谐振腔20，从而在利用原子的基态磁偶极矩与微波谐振腔20进行磁耦合时，能有效提高原子与超导芯片之间实现的耦合强度，进而实现超导量子电路与冷原子系综之间量子信息传输的高保真度和高转换效率，提高了冷原子与谐振腔20的耦合强度，从而实现超导量子电路与冷原子系综之间量子信息传输的高保真度和高转换效率；另一方面，通过采用LC谐振腔20，利用其极高的Q值来提高微波光波转换的效率。

实施例二

在本申请的第二个实施例中，其与第一个实施例的机构及原理基本一致，区别在于，如图8所示，还包括检测分析机构a和光学元件组b。

在本申请的实施例中，有关上述的检测分析机构a，如图8所示，检测分析机构a包括光电二极管a1和频谱分析仪a2，光电二极管a1和频谱分析仪a2是设于光波光子的出射路径的终端。

在本申请的实施例中，有关上述的光学元件组b，如图8所示，光学元件组b包括第一半玻片b1、第一反射镜b2、第一偏振分光棱镜b3、第一四分一玻片b4、第二四分一玻片b5、第二半波片、第二偏振分光棱镜b7、第二反射镜b8、第三半玻片b9、声光调制器b10和第三反射镜b11。

具体的，沿光源机构4的出射光源的出射方向上，光源机构4与磁阱5之间的光源路径上依次设有第一半玻片b1、第一反射镜b2、第一偏振分光棱镜b3和第一四分一玻片b4；沿冷原子射出的光波光子的出射方向上，依次设有第二四分一玻片b5、第二半波片、第二偏振分光棱镜b7、光电二极管a1和频谱分析仪a2；沿第一偏振分光棱镜b3的分光方向上，依次设有第二反射镜b8、第三半玻片b9、声光调制器b10和第三反射镜b11，第一偏振分光棱镜b3的分光汇合于第二偏振分光棱镜b7。

在进行应用时，首先该激光经过一个第一半玻片b1调节其偏振后经过第一反射镜b2打入第一偏振分光棱镜b3后能够分成两束强弱不同的光。

其中，一束较强激光作为探测光，其经过第一四分一玻片b4后变成一束圆偏振光后打入到我们实验中囚禁在磁阱5内的铷原子团上，同时我们还通过一个微波源61操控谐振腔20释放出一个使得原子可以从铷原子基态|1＞跃迁到基态|2＞的共振微波信号，根据上述微波光波转换理论的转换关系，可知此时铷原子会释放出从一个从激发态|3＞跃迁到基态|1＞的共振光波光子，这个光波光子即为我们想要转换出来的光波光子信号，根据理论上的转换过程的波矢量相干信息可知，转换之后的光波光子的方向与原入射激光光束方向一致，该光束通过第二四分一玻片b5后变回线偏振光后再借由第二半玻片b6进行偏振的调节后通过第二偏振分光棱镜b7反射后进入光电二极管a1连通频谱分析仪a2。

另外一束较弱的光束作为参考分光，经过第二反射镜b8进入第三半玻片b9后进行频率的移动，通过声光调制器b10(AOM)将该光的频谱移动几十MHz，然后经过第三反射镜b11汇合至光电二极管a1中，该光作为频谱分析仪a2的参考分光与探测光合束后一同进入光电二极管a1后，频谱分析仪a2将两束进来的光进行一个拍频信号的处理。

由于入射激光与参考光之间的频率差只有声光调制器b10所移频的几十MHz，而参考光与出射光波光子间的频率差为一个微波信号的频率6.834GHz，因此经过拍频处理后能够得到拍频差值与光功率之间的关系，即可得到转换出来的光波功率大小。

实施例三

在本申请的第三个实施例中，其与第二个实施例的机构及原理基本一致，区别在于，如图9所示，还包括磁性光学捕集腔7、插拔阀9和低温真空腔8，磁性光学捕集腔7和低温真空腔8相互连通，并且通过插拔阀9控制其连通与否。

其中，低温真空腔8名称可称为“超低温(4K)超高真空腔”(将腔内的温度降低到4K)，其作用是超导芯片中导线实现超导(第一第二超导芯片都是放置在低温真空腔之中，第一超导芯片1即超导Z芯片在9.2K实现超导现象、第二超导芯片2即LC谐振腔在5.4K时实现超导)；低温真空腔提供了超导Z芯片工作的必要环境，是囚禁冷原子的位置，并且为该反应提供环境基础，即微波光子与冷原子进行耦合，与此同时将一束激光打入低温真空腔8中与冷原子进行耦合的整个过程都是在低温真空腔8中完成。

在本申请的实施例中，磁性光学捕集腔7是在冷原子物理研究中，利用Bose-Einstein凝聚现象(简称BEO)中所使用的收集原子的光学关键部件，应当理解，该磁性光学捕集腔7属于本领域技术人员知道的现有技术。

在本申请的实施例中，低温真空腔8内设置有实施例一的所有部件，并且低温真空腔8中还设有抬升机构80和稳定机构81，其与第一磁场和第二磁场的关系可见图10所示。

对于抬升机构80而言，抬升机构包括一对抬升用亥姆霍兹线圈，抬升用亥姆霍兹线圈分布于磁阱的顶部和底部两侧，抬升用亥姆霍兹线圈形成一个竖直方向的匀强的抬升磁场，该抬升磁场主要用于将转移至低温真空腔8内的冷原子抬升到芯片表面，以供磁阱囚禁，当完成抬升工作后，该抬升磁场将会关闭。

其中，抬升用亥姆霍兹线圈的参数优选为：线圈圈数nz＝150；线圈高度(线圈中心距离原点位置)zz＝62mm；线圈半径rz＝35mm；线圈电流Iz＝-3.26A。

需要指出的是，抬升用亥姆霍兹线圈的电流走向为图10中的逆时针方向流动。

对于稳定机构81而言，稳定机构为一对稳定用反亥姆霍兹线圈，稳定用反亥姆霍兹线圈分布于磁阱的顶部和底部两侧，其作用是产生一个四级阱，用于将转移到4K腔中的冷原子稳定在4K腔之中。

其中，稳定用反亥姆霍兹线圈的参数优选为：线圈圈数nm＝8；线圈高度(线圈中心距离原点位置)zm＝34mm；线圈半径rm＝21mm；线圈电流Iz＝60A。

需要指出的是，顶部的反亥姆霍兹线圈为顺时针方向流动，底部的反亥姆霍兹线圈为逆时针方向流动。

由上文可知，本实施例的基本机构，下文将给出一种低温真空腔8应用了基于超导芯片的微波光波转换实验装置，

S1，抓取冷原子，利用磁性光学捕集腔7抓取偏振态冷原子。

S10，利用磁性光学捕集腔7进行磁光阱的装载，利用所述磁光阱获得冷原子；

S11，压缩所述磁光阱，得到原子团密度增大的冷原子。

S12，对原子团密度增大后的冷原子进行偏振梯度冷却，得到冷却后的偏振态冷原子。

其中，通过压缩所述磁光阱和偏振梯度冷却就可以抓取到相应的弱场囚禁态上的偏振态冷原子，这是因为通过上述的操作之后冷原子有了相应的偏振态，而我们实验中的磁场只能够抓取弱场囚禁态的原子，因此这个过程中抓取到的原子数会变少，但是抓取到的原子的偏振状态都是确定的，方便了后续实验过程的统一操作。

S2，囚禁冷原子，当完成偏振态冷原子抓取后，打开插板阀(连通两个腔直接的通道)，然后通过导轨将压缩冷却之后的冷原子转移到我们的低温真空腔8中，在低温真空腔8中同样成功利用磁场抓取到冷原子之后，并抬升至所述磁阱5内，利用所述磁阱5将偏振态冷原子囚禁在所述第一超导芯片1表面，从而实现超导芯片表面的冷原子装载。

其中，冷原子的抬升是通过一对亥姆霍兹线圈施加一个向上(Z方向)的匀强磁场让冷原子抬升(即冷原子有一个向上的力)。

S3，制备光波光子，利用所述光源机构4的出射光源照射偏振态冷原子，且所述谐振腔20对偏振态冷原子进行共振微波辐射，所述冷原子释放出共振光波光子。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。