本实用新型专利技术提供了一种集成光源和控制非门的光量子计算芯片，所述芯片包括相干激发光源、单比特门、控制非门线路和探测模块；其中，所述相干激发光源发射两个光子，通过两个所述单比特门制备任意单比特态光子，输入到所述控制非门线路中，经过所述控制非门线路后由所述探测模块进行探测。本实用新型专利技术通过片上集成光源和控制非门可以避免进行复杂的四波混频频率简并，同时，片上集成的途径具有集成度高，工作条件稳定，低成本等优势。低成本等优势。低成本等优势。
【技术实现步骤摘要】
集成光源和控制非门光量子计算芯片及采用其的教学系统
[0001]本技术涉及量子计算与量子光学
，涉及多种光量子计算控制非门芯片设计，特别涉及一种集成光源和控制非门(CNOT)的光量子计算芯片及采用其的教学系统，适用于光量子计算、教学实验等应用领域。
技术介绍
[0002]光子具有操作速度快、单比特操纵简单精确、抗噪声能力强等优势，并可为远程的原子和固态量子系统之间提供量子接口。大型光量子计算和模拟的实现，将解决若干经典计算机无法胜任的计算问题，对人类社会产生深刻影响。近年来，许多大型高科技公司强势介入量子计算，对该领域的发展起到极大的促进作用。因此，对该方向的人才培养也需要在大学阶段尽早训练。但由于该方向融合了众多学科，研究设备昂贵，技术人员短缺等原因，目前各个高校对量子计算方面的实验缺少专业的设备。因此，设计若干量子计算教学系统是非常必要且急需研制的。
[0003]在实现本技术构思的过程中，专利技术人发现相关技术中至少存在如下问题：
[0004](1)光学量子逻辑门早已在多种方案下获得实现，如依靠全线性光学器件、单光子源和光子探测器可以实现非确定性的控制相位门，并可以通过量子隐形传态提高成功率，但需要消耗大量器件资源并且需要非常高的器件精度；
[0005](2)基于四波混频的光源要做到频率简并非常复杂，要实现四波混频频率简并，必须通过两个波长不同的激光同时激发非线性材料，同时满足相位匹配条件。这一方面会增加成本，另一方面技术难度较大，且存在布拉格散射、单边激发等问题，降低光子全同性。<br/>[0006]因此，亟需一种降低器件资源消耗并可以解决四波混频的光源需要进行频率简并的问题的光量子计算芯片。
技术实现思路
[0007]有鉴于此，本技术的主要目的在于提供一种集成光源和控制非门的光量子计算芯片及采用其的教学系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0008]为了实现上述目的，作为本技术的一方面，提供了一种集成光源和控制非门的光量子计算芯片，所述芯片包括相干激发光源、单比特门、控制非门线路和探测模块；其中，
[0009]所述相干激发光源发射两个光子，通过两个所述单比特门制备任意单比特态光子，输入到所述控制非门线路中，经过所述控制非门线路后由所述探测模块进行探测。
[0010]其中，所述芯片将相干激发光源、单比特门和控制非门线路部分进行集成，或将相干激发光源、单比特门、控制非门线路和探测模块全部集成在半导体芯片上。
[0011]其中，所述相干激发光源采用硅波导结构、氮化硅微腔结构或周期性极化铌酸锂波导结构。
[0012]其中，周期性极化铌酸锂材料吸收两个频率为ω0的光子，发射频率分别为ω1和
ω2的信号光和闲频光；采用两个光源进而产生2对光子，每对光子中的一个光子会直接送入探测模块，作为预报单光子；而频率相同的两个光子会被送入线路实现控制非门的操作。
[0013]其中，所述单比特门和所述控制非门线路共同形成光量子逻辑门。
[0014]其中，所述控制非门线路包括分束器和移相器，分束器的分束比和移相器的相位需要任意可调，以用于实现么正变换。
[0015]其中，所述移相器的位移的改变是通过局部改变波导中的移相器温度控制波导折射率来实现的；所述分束器的分束比是通过马赫曾德干涉仪来改变的。
[0016]其中，所述探测模块包括集成的超导纳米线单光子探测器或通过光栅耦合器连接光纤到片外的光子数探测器。
[0017]作为本技术的另一方面，提供了一种教学系统，其中，包括如上所述的光量子计算芯片。
[0018]其中，所述教学系统还包括教学控制系统，所述教学控制系统用于控制所述控制非门线路中移相器的相移。
[0019]基于上述技术方案可知，本技术的集成光源和控制非门的光量子计算芯片及采用其的教学系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
[0020](1)本技术通过片上集成光源和控制非门可以避免进行复杂的四波混频频率简并，同时，片上集成的途径具有集成度高，工作条件稳定，低成本等优势。
[0021](2)通过片上集成光源、低损耗集成光学元件和光学镀膜的方法，这种光量子芯片可以达到较低光学损耗；
[0022](3)满足从输入模式准直器到收光耦合器具有相等的光程，即每个收光耦合器能够具有接近相同的耦合收集效率；
[0023](4)CNOT门输出连接光子数探测器，结合输入端连接光源和单比特门，可以实现CNOT门演示性操作实验和纠缠态制备和检验实验；
[0024](5)具有任意可编程的单比特门和CNOT门，通过CNOT门输出端连接光子数非破坏性探测器，可以根据特定需要连接实现可编程普适量子计算芯片；
[0025](6)CNOT门操作可以通过调节分束器反射分束比为1取消，增加了刻蚀后芯片的可编程性。
附图说明
[0026]图1示意了根据本公开实施例的相干激发光源、控制非门线路、单光子探测模块和控制系统耦合示意图；
[0027]图2示意了四波混频过程原理和根据本公开实施例的基于硅的预报单光子源示意图；
[0028]图3示意了路径编码的单光子比特门和根据本公开实施例的通过分束器和移相器实现的单比特门线路示意图；
[0029]图4示意了根据本公开实施例的马赫曾德干涉仪线路示意图；
[0030]图5示意了控制非门原理图和根据本公开实施例的控制非门线路示意图；
[0031]图6示意了根据本公开实施例的集成超导纳米线单光子探测器和外接单光子探测器示意图；
[0032]图7示意了根据本公开实施例的基于硅波导预报单光子源的控制非门芯片教学系统；
[0033]图8示意了根据本公开实施例的基于氮化硅微腔预报单光子源的控制非门芯片教学系统；
[0034]图9示意了自发参量下转换过程和周期性极化铌酸锂波导示意图；
[0035]图10示意了根据本公开实施例的基于周期性极化铌酸锂波导预报单光子源的控制非门芯片教学系统。
具体实施方式
[0036]为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术作进一步的详细说明。
[0037]本设计的控制非门芯片教学系统整体结构示意图如图1所示，相干激发光源发射两个制备到路径编码|0>的光子，通过两个单比特门可以制备控制非门输入端口的任意单比特态输入。经过控制非门后由单光子探测模块进行探测，控制非门线路中移相器的相移可以通过控制系统控制。其中光源部分可通过图2所示的四波混频或者参量下转换过程实现。
[0038]通过任意单比特门和控制非门(C
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NOT)可以实现普适量子逻辑门。如图3，光子比特编码在两路径上，为实现任意幺正变换需要分束器的分束比和移相器的相位可以任意调节。通过局部改变波导中的移相器温度控制波导折射率，从而实现相位的改变。分束器的分束比则本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种集成光源和控制非门的光量子计算芯片，其特征在于，所述芯片包括相干激发光源、单比特门、控制非门线路和探测模块；其中，所述相干激发光源发射两个光子，通过两个所述单比特门制备任意单比特态光子，输入到所述控制非门线路中，经过所述控制非门线路后由所述探测模块进行探测。2.根据权利要求1所述的光量子计算芯片，其特征在于，所述芯片将相干激发光源、单比特门和控制非门线路部分进行集成，或将相干激发光源、单比特门、控制非门线路和探测模块全部集成在半导体芯片上。3.根据权利要求1所述的光量子计算芯片，其特征在于，所述相干激发光源采用硅波导结构、氮化硅微腔结构或周期性极化铌酸锂波导结构。4.根据权利要求3所述的光量子计算芯片，其特征在于，周期性极化铌酸锂材料吸收两个频率为ω0的光子，发射频率分别为ω1和ω2的信号光和闲频光；采用两个光源进而产生2对光子，每对光子中的一个光子会直接送入探测模块，作为预报单光子；而频率相同的两个光子会被送入线路实现控...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆朝阳，王辉，王云飞，何玉明，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：
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