能产生反演对称波包的复合量子节点及确定性量子态转移方法技术

本发明专利技术涉及量子信息技术领域，公开了一种由静态量子比特、谐振腔系统和波导构成的复合量子节点，以及基于该量子节点的确定性量子态转移方法。复合量子节点包括，静态量子比特与谐振腔系统耦合，谐振腔系统与波导耦合。量子节点中的量子比特通过谐振腔系统间接以接近100％的效率接入到量子网络，同时在波导中产生时域反演对称的波包信号，从而实现从发送端到接收端的高效率的量子态转移。本发明专利技术无需外加任何随时间变化的控制，发送节点即可产生时域反演对称的单光子波包，接收节点可以完全吸收单光子波包实现成功率可接近100％的量子态转移。

A compound quantum node and a deterministic quantum state transfer method for inversion of symmetric wave packet

The invention relates to the field of quantum information technology, and discloses a composite quantum node composed of a static quantum bit, a cavity system and a waveguide, and a deterministic quantum state transfer method based on the quantum node. The composite quantum node consists of a static quantum bit coupled to a cavity system and a cavity system coupled to a waveguide. The quantum bits in the quantum node are connected to the quantum network indirectly with nearly 100% efficiency through the resonant cavity system. At the same time, the symmetrical wave packet signal is generated in the waveguide in the time domain to realize the efficient quantum state transfer from the sending end to the receiving end. Without any additional control over time, the transmitting node can generate a single photon wave packet with time domain inversion symmetry, and the receiving node can fully absorb the single photon wave packet to achieve a quantum state transfer with a success rate of nearly 100%.

【技术实现步骤摘要】
能产生反演对称波包的复合量子节点及确定性量子态转移方法
本专利技术涉及量子信息
，尤其是一种能产生反演对称波包的的复合量子节点，以及基于此类节点确定性量子态转移的方法。
技术介绍
量子计算、量子通信潜在的强大功能，都依赖于一个具有复杂拓扑结构的量子网络中量子比特间的功能性连接。量子网络中的不同节点不仅能够存储信息，节点之间还需要交换传递信息。节点间任意量子态的高保真度转移是实现功能性量子网络的基础。基于集成的量子光子学技术有望构建大规模功能性量子网络，从而实现片上的分布式量子信息处理以及计算单元。确定性的量子态转移依赖于空间中处于不同位置的静态量子比特之间单量子波包的辐射和吸收，一个静态量子比特A将携带的量子信息编码到传播的单量子波包上，波包传播一定距离后被另外一个静态量子比特B完全吸收，从而完成信息从量子比特A到B的转移。理想的量子态转移需要静态量子比特A辐射的量子波包被静态量子比特B完全吸收。孤立静态量子比特辐射的波包呈指数衰减，与完美吸收所需的指数增长波包在时间域上不匹配，导致理论上真空中量子态转移效率低于54％。空间域上的传播模式匹配在真空中同样难以实现。为了达到空间模式匹配，可以借助于谐振腔增强静态量子比特与腔模的耦合，使静态量子比特的辐射几乎全部耦合到波导中去。目前实现时间域上匹配的主要方法有绝热量子态转移、波包塑型、对辐射波包进行时间反演变换等。这些方法都需要对不同量子节点施加非常精确的时间变化调制来实现量子态的高效转移。对于需要大规模集成的量子芯片，这些外加控制显然会限制集成的规模与性能，不利于量子网络的规模化应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能够产生时域反演对称波包的复合量子节点以及基于该复合量子节点的高效率确定性量子态转移方法。为解决上述技术问题，本专利技术首先提出一种能够产生时域反演对称波包的复合量子节点，包括静态量子比特与耦合谐振腔系统耦合，耦合谐振腔系统与波导耦合，所述静态量子比特能够吸收波包，跃迁到高能级。进一步的，所述耦合谐振腔系统包括的数量为1个、2个或2个以上的谐振腔。在谐振腔数量为2个或2个以上时，相邻的谐振腔之间相互耦合，产生能量与信息的交换。更优选的，所述耦合谐振腔首尾相联排成链式结构，静态量子比特与首端的谐振腔相联耦合，末端的谐振腔与波导相联耦合。该结构采用了最简单有效的几何拓扑联接方式，通过优化量子比特与谐振腔之间的耦合系数、谐振腔之间的耦合系数、谐振腔与波导之间的耦合系数，能够有效地将指数衰减的波包转化为近乎完美的时间域上反演对称的波包，从而可被用于两相同节点之间高效的量子态转移。较佳的，所述谐振腔为微环谐振腔。优选的，三个相同所述微环谐振腔首尾相联排成链式结构，第一个微环谐振腔和静态量子比特耦合，第三个微环谐振腔和波导靠近耦合。通过设计二能级系统和微环谐振腔的耦合强度g、第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合强度J12、第二微环谐振腔与第三微环谐振腔之间的耦合强度J23、环形腔与波导的耦合强度κ，能够使静态量子比特在与级联微环谐振腔系统耦合之后辐射到波导的单光子波包具有时间域上近乎完美的反演对称性。所述波导支持单量子波包在空间上转移而在时间域上的波形不发生色散畸变，并且作为节点的输入输出通道。优选的，所述复合量子节点为片上集成量子节点。所述微环谐振腔由一种介质波导弯曲成环形构成，将光子局域在很小的空间范围内，通过调节间距实现与二能级系统及相互之间从弱耦合到强耦合的耦合强度。优选的，所述波导采用介质波导，具有低色散、低损耗特性。所述介质波导，可以是SiO2,Si,AlN,Al2O3,GaP,LiNbO3等材料体系。所可选的，所述静态量子比特、谐振腔、波导为光学、微波超导电路或声波机械振动器件，或者三者的混合搭配。本专利技术还提出了一种基于复合量子节点的高效确定性量子态转移方法，一个所述复合量子节点作为发送节点，静态量子比特通过耦合谐振腔系统间接接入到量子网络，发送节点无需外加任何随时间变化的控制，就在波导中产生时域反演对称的单量子信号波包；作为接收节点的所述复合量子节点完全吸收波包，实现高效的确定性量子态转移。本专利技术具有以下优点：1、本专利技术的复合量子节点不需要外加任何随时间变化的控制，就可以辐射出在时域上接近100％反演对称的单量子波包，另一个相同的节点可以再完全吸收该波包，从而该种复合节点可以用于实现量子网络中高效的量子态转移。2、本专利技术量子态转移方法的实施，不需要外加任何随时间变化的外场调制，在实际应用中更加易于实现。3、本专利技术设计的复合量子节点，采用了最简单的链式结构，充分发挥了耦合谐振腔的作用，是一种易于实现的几何拓扑联接结构。4、本专利技术所述的量子节点，采用纯介质耦合谐振腔，与介质波导联接，在保证耦合强度的同时，损耗达到可以忽略的水平。5、本专利技术所述的量子节点设计直接借助于现有成熟的CMOS工艺加工，实现片上大批量集成的集成量子芯片。6、本专利技术所述量子节点，由于可以在片上集成且不需要外加时间变化调制，因此能做成便携式光学芯片设备。7、本专利技术所述方法，适用于光波片上集成系统、微波的超导电路系统、声波机械振动系统，及其混合系统。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步具体说明。图1为两个量子节点之间量子态转移的示意图。图中：1，节点A，原本存储有量子信息的节点；2，波导，用于传输携带有量子信息的单量子波包；3，节点A辐射出的单量子波包；4，节点B，接收量子态的节点。图2是复合量子节点的结构示意图。图中：5，任一量子节点；6，单个谐振腔；7，代表腔与腔之间任意的联接耦合方式；8，二能级量子比特或三能级量量子比特；9，量子节点与波导的耦合接口。图3是一种优化的链式结构的联接方式示意图。图中：5，量子节点；6，单个谐振腔；7，省略的级联联接的谐振腔；8，二能级量子比特或三能级量量子比特；9，量子节点与波导的耦合接口。图4是集成量子节点设计的具体结构示意图。图中：5，一个量子节点；8，多能级静态量子比特，例如二能级量子比特或三能级量量子比特；10，微环谐振腔；11，介质波导；3，单光子波包(节点A辐射或节点B接收)；图5是图4量子节点在不同耦合强度系数条件下所辐射的单光子波包的时间域上的反演对称性。(a)是较大参数区域的对称性因子分布图，(b)是对(a)局部区域放大的对称性因子分布图。图6是当耦合强度满足(J12，J23，κ)/g＝(1.88，2.94，7.92)时，量子态由节点A转移到节点B的转移过程示意图。具体实施方式如图1所示，量子网络中用于量子态转移的两个量子节点A、B，节点A辐射出携带有量子信息的单量子波包后，单量子波包会通过波导转移到节点B，波包耦合进入节点B后激发节点B中的量子比特完成态转移。对于完全相同的两个节点A和B，且没有任何随时间变化外加控制的情况下，量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，静态量子比特与谐振腔系统耦合，谐振腔系统与波导耦合，所述静态量子比特能够吸收波包，跃迁到高能级。/n

【技术特征摘要】
1.一种能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，静态量子比特与谐振腔系统耦合，谐振腔系统与波导耦合，所述静态量子比特能够吸收波包，跃迁到高能级。


2.根据权利要求1所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述谐振腔系统包括的数量为1个、2个或2个以上的谐振腔。


3.根据权利要求2所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述谐振腔系统包括的数量为2个或2个以上，相邻的谐振腔之间相互耦合，产生能量与信息的交换。


4.根据权利要求3所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述耦合谐振腔首尾相联排成链式结构，静态量子比特与首端的谐振腔相联耦合，末端的谐振腔与波导相联耦合。


5.根据权利要求4所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述谐振腔为微环谐振腔。


6.根据权利要求5所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，三个相同所述微环谐振腔首尾相联排成链式结构，第一个微环谐振腔和静态量子比特耦合，第三个微环谐振腔和波导靠近耦合。


7.根据权利要求5所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学文，田朝华，张朴，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42