一种全无源偏振量子态层析方法及芯片

1.本发明涉及量子芯片领域，具体为一种利用芯片上偏振分束与旋转器将光量子态的偏振信息转化为路径信息，并与片上超导纳米线单光子探测器进行单片集成，可对偏振量子态进行直接量子层析并直接结果输出结束的一种芯片设计。


背景技术：

2.偏振编码的光量子比特将量子信息加载在偏振信息，具有制备简便、操控方便、性能优异等优点，在量子秘钥分发、量子计算和量子信息等领域都有着广泛的应用。精确地探测和测量光量子比特对完成量子信息处理、传输和计算等过程，具有重要意义。量子叠加原理和波函数概率性本质，使得一次测量不足以将一个未知量子态的所有信息反映出来，需要在不同的测量基矢下进行多次投影测量才能得到待测量子态的全部信息，对未知量子态进行完全的表征，该测量手段称为量子态层析方法。
3.传统方法为了实现量子态层析，需要通过复杂的可调光学器件并需要大量的数据收集和分析装置，其冗重的操控和测量手段大大限制了其量子信息系统的扩展性和实用性。


技术实现要素：

4.为了克服现有偏振编码光量子态层析技术的不足，本发明的目的在于提供一种全无源偏振量子态层析方法及芯片，通过利用集成光子学器件，将偏振编码的光量子态转化为路径编码的光量子态，利用片上集成的超导单光子探测器等实现快速量子态层析并读出结果的方案。
5.对于传统的偏振光量子态层析技术，需设置偏振片、波片等体块光学器件以及光纤耦合探测器等，进行不同测量基的量子态投影测量。例如，对于单比特量子态测量，需要至少完成3组不同测量基矢的配置和测量，对于2比特量子态，需要完成9组不同测量基矢的配置和联合测量。本发明通过将偏振
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路径转换结构和不同测量基矢对应的配置全部一次性集成在芯片上，再通过分束器将量子态输出到不同测量基矢，利用片上集成的超导单光子探测器对光子进行直接计数测量，从而实现全自动的偏振编码量子态层析和结果读出。
6.本发明可以很好地避免量子态层析所需的多种基矢设置和改变过程，将复杂的量子态层析过程简单化、全自动化、并且该集成量子光学方案具有强扩展性。
7.针对上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种全无源偏振量子态层析方法，其步骤包括：
9.1)利用片上集成的偏振
‑
路径转换器将待测光信号的偏振信息转化为路径信息并经2n路波导分别输出；
10.2)通过片上集成的多模干涉器和波导交叉器将每一路波导中的光信号引出到3n条路径，将所述路径信息分为6n路输出光；
11.3)利用波导交叉器将6n条路径上的输出光两两组合成3n个相同的输入量子态；
12.4)将步骤3)所得每一所述输入量子态分别分为两路输出，利用片上集成的超导单光子探测器测量每一路输出，实现对所述输入量子态在任意二维酉矩阵投影基矢下的测量；其中，对于泡利z基下的测量，直接利用超导单光子探测器测量；对于泡利x基下的测量，将所述输入量子态经多模干涉器和零度移相器分为两路并利用超导单光子探测器测量每一路输出，通过读取超导单光子探测器的计数率即为x基测量结果；对于泡利y基下的测量，将所述输入量子态经多模干涉器和90度移相器分为两路并利用超导单光子探测器测量每一路输出，通过读取超导单光子探测器的计数率即为y基测量结果；
13.5)对测量结果进行拟合重构出量子态的密度矩阵，实现对量子态层析测量。
14.进一步的，当n取值为1时，测量结果为单量子比特的测量。
15.进一步的，所述90度移相器由固定光学波导时延迟实现。
16.进一步的，片上集成超导单光子探测器的方法为：首先在芯片上制作光波导，然后在所述光波导的表面加工出超导纳米线单光子探测器结构。
17.进一步的，采用超导薄膜材料沉积、深紫外光刻或干法刻蚀工艺在所述光波导的表面加工出超导纳米线单光子探测器结构。
18.进一步的，片上集成超导单光子探测器的方法为：先独立加工光波导和纳米线结构，然后在芯片上将所加工光波导和纳米线结构进行键合。
19.进一步的，所述偏振
‑
路径转换器为偏振分束和旋转器结构；其中首先利用偏振分束结构将待测光信号的水平与竖直偏振转化为波导中的横电模式te、横磁模式tm，再利用偏振旋转器将横磁模式tm旋转为横电模式te，实现将偏振信息转化为路径信息；其中待测光信号的量子态为|φ>＝a|h>+b|v>，转换到波导上的量子态为|ψ>＝a|0>+b|1>。
20.一种全无源偏振量子态层析芯片，其特征在于，包括偏振
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路径转换器、多个多模干涉器、多个波导交叉器和多个单光子探测器；其中
21.所述偏振
‑
路径转换器，用于将输入的待测光信号的偏振信息转化为路径信息并将其经波导分别输入第一多模干涉器、第二多模干涉器；
22.第一多模干涉器的一输出端经波导与第三多模干涉器的一输入端连接、另一输出端经波导与第一波导交叉器的一输入端连接；第二多模干涉器的一输出端经波导与第四多模干涉器的一输入端连接、另一输出端经波导与第一波导交叉器的另一输入端连接；
23.第三多模干涉器的一输出端经波导与第一相位调制器连接、另一输出端经波导与第二波导交叉器的一输入端连接；第一相位调制器的输出端经波导与第五多模干涉器的一输入端连接；
24.第一波导交叉器的一输出端经波导与第二波导交叉器的一输入端连接、另一输出端经波导与第三波导交叉器的一输入端连接；第二波导交叉器的一输出端经波导与第五多模干涉器的另一输入端连接、另一输出端经波导与第二相位调制器连接，第二相位调制器的输出端经波导与第六多模干涉器的一输入端连接；
25.第四多模干涉器的一输出端经波导与第三波导交叉器的一输入端连接、另一输出端经波导与第七多模干涉器连接；第三波导交叉器的一输出端经波导与第六多模干涉器的另一输入端连接，第三波导交叉器的另一输出端经波导与第三相位调制器连接，第三相位调制器的输出端经波导与第七多模干涉器连接；
26.第五多模干涉器后的一支路上设有零度或180度移相器，该移相器的输出端经波
导与第二单光子探测器连接、另一输出端经波导与第一单光子探测器连接；
27.第六多模干涉器后的一支路上设有第一90度移相器，该第一90度移相器的输出端经波导与第四单光子探测器连接、另一输出端经波导与第三单光子探测器连接；
28.第七多模干涉器后的支路上设有第二90度移相器，该第二90度移相器的输出端经波导与第六单光子探测器连接、另一输出端经波导与第五单光子探测器连接。
29.本发明主要内容包括：
30.1.利用片上集成的偏振分束和旋转器结构(如图3所示)将待测光信号的偏振信息转化为路径信息，其中首先利用偏振分束器pbs将待测光信号的水平与竖直偏振转化为波导中的横电模式(te)、横磁模式(tm)，再利用片上偏振旋转器pr将tm模式旋转为te模式，由此将偏振信息转化为路径信息。输入量子态为|φ>＝a|h>+b|v>时，转换到波导上的量子态为|ψ>＝a|0>+b|1>；a、b为任意复数并满足平方相加等于0，用于表示一个任意的量子态，h表示水平偏振状态，v表示垂直偏振状态。也可使用其他偏振
‑
路径转换结构如二维光栅等实现相同的效果。
31.2.通过集成的4个多模干涉器(mmi)和一波导交叉器将两路波导中每一路波导中的光信号都引出到三条路径，共6条；其中每一波导与一多模干涉器(mmi)连接，用于将一路波导中的光信号引出到三条路径上。多模干涉器利用多模波导中的自成像效应，将一路的输入光分成等强度的两路输出光，实现类似于自由空间中的光学分束器的作用。
32.3.利用两波导交叉器(crosser)将6条路径两两组合成3个相同的量子态。由于片上波导需要进行交叉，但波导之间的串扰是我们不希望看到的，因此波导交叉器通过将波导展宽之后设计交叉区域，尽量避免不同波导在交叉期间光场的相互影响。
33.4.超导单光子探测器的片上集成，可采用超导薄膜材料沉积、深紫外光刻和干法刻蚀等工艺，在光波导表面加工出超导纳米线单光子探测器结构，也可采用先独立加工波导和超导纳米线单光子探测器再芯片键合的方法。
34.5.在每个输入量子态之后利用多模干涉器和固定移相器，可实现对量子态在任意二维酉矩阵投影基矢下的测量，想要实现量子态层析我们需要对量子态在3个泡利矩阵的投影基矢下进行测量，泡利矩阵可以写为：
[0035][0036]
6.对于泡利z基下的测量，将图1中探测器前的马赫
‑
曾德尔干涉器设置为直通工作状态(第五多模干涉器后的一支路上设有零度或180度移相器)即可；对于x基下的测量，由多模干涉器和零度移相器构成的马赫
‑
曾德尔干涉器设置为1：1分束器状态(第六多模干涉器后的一支路上设90度移相器)即可，通过读取超导探测器的计数率即为x基测量结果。对于y基下的测量同理，由多模干涉器和90度移相器构成，和x基测量的区别在于多模干涉器前的移相器也设置为90度。，其中90度移相器可由固定光学波导时延迟实现，通过读取超导探测器的计数率即为y基测量结果。
[0037]
7.对于单量子比特的测量，共需6个超导纳米线的单光子探测器对应3组基矢(从上到下依次为第一光子探测器～第六光子探测器，第一、二光子探测器探测x矩阵的两个基矢，第三、四光子探测器探测y矩阵的两个基矢，第五、六光子探测器探测z的两个基矢)，共6个测量结果对应x，y和z基矢下的量子态测量结果，通过拟合算法计算可重构出量子态的密
度矩阵，实现对量子态层析测量。对于两比特和n比特量子态的测量，共需6n个超导纳米线的单光子探测器对应3n组基矢，每个探测器完成量子态的局部测量，通过关联测量获得n比特量子态的关联信息，进而通过拟合算法计算可重构出量子态的密度矩阵，实现对量子态层析测量。
[0038]
本发明的有益效果是:
[0039]
本发明提供了一种利用集成光学器件和集成超导单光子探测器实现对偏振光量子比特的快速即插即用的态层析设备，该设备适用于光纤中或自由空间的偏振编码量子信息系统及其应用场景，如量子密钥分发、光量子计算和量子模拟等。该设备通过集成化、小型化的手段将复杂的态层析过程简化为即插即用的方式进行，与之前的通过调整测量基矢的方法相比，提高了态层析速度，增加的装置的适应性，降低了态层析成本。
附图说明
[0040]
图1为本发明的集成光学实现方法示意图；
[0041]
图2为本发明的外围配套及其系统图；
[0042]
(a)使用本发明对光纤中单光量子比特进行量子态层析的应用方式，
[0043]
(b)使用本发明对光纤中双量子比特进行量子态层析的应用方式。
[0044]
图3为偏振
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路径转换器。
[0045]
其中，1
‑
偏振
‑
路径转换器，2
‑
多模干涉器，3
‑
波导交叉器，4
‑
热光相位调制器，5
‑
超导单光子探测器。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0047]
图1是本发明的集成光学实现方法示意图。其中除集成超导纳米线单光子探测器以外，其余光波导器件采用硅基纳米线材料，可使用标准cmos工艺加工制备。通过在波导表面沉积超导氮化铌薄膜材料、深紫外光刻和干法刻蚀等工艺，在光波导表面加工出超导纳米线单光子探测器结构，也可采用先独立加工波导和纳米线结构再芯片键合的方法。为了满足超导单光子探测器的工作条件，该芯片需要放置在低温下工作。
[0048]
图2是本发明的外围配套及其系统。对于单光子态层析，利用光纤将光子耦合到量子态分析芯片上，直接探测并读出计数，获得单量子比特的量子态层析结果；对于双光子量子态的层析，两光子通过光纤耦合到量子态分析芯片的两个不同端口，超导单光子探测器的计数结果通过片上符合计数器得到符合计数率，即可得到在xx,xy,xz,yx,yy,yz,zx,zy,zz,9个基矢下的投影测量结果。同理，对于m光子量子比特的量子态层析，可以通过单光子探测和符合测量得到x1x2…
x
m x1x2…
y
m x1x2…
z
m
……
z1z2…
z
m
，共3^m个基矢下的测量结果，即可得到多光量子比特的量子态层析结果。
[0049]
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。