一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及配置方法技术

一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，所述光量子芯片基于波导光路的量子光源、量子光源的可配置分束网络、二维光栅阵列集成；量子光源由经典光处理部分、光参量转换部分和反向HOM干涉部分组成，得到两类双光子对；量子光源的可配置分束网络由多层级联Mach‑Zehnder干涉仪组成，将量子光源区域产生的两类双光子分散到多个不同的配对路径，形成Dicke态所需要的多个双光子项，取这个多个双光子项的高阶项即得到路径编码的多光子Dicke态；量子光源和其可配置分束网络中都包含相位调制器，控制量子光源中光子路径状态为分离或聚束或两种情况的任意比例相干叠加，实现多种不同的量子干涉输出结果，用于配置量子光源的波导分束网络的分束比例。

【技术实现步骤摘要】
一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及配置方法
本专利技术涉及量子信息技术、集成光学和非线性光学领域。用于高效制备多光子路径编码和偏振编码的Dicke态光量子芯片，尤其是一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及制备或配置方法。
技术介绍
纠缠是量子通信、量子计算等量子信息技术中的核心资源。所以如何制备多光子纠缠态，特别是可调控、高效、稳定、可扩展的纠缠光源一直是量子信息领域的研究难点和热点。其中Dicke态是一种量子位之间具有强关联性的、对光子损失具有高容忍度的量子态[1]，被用于构建量子通信网络、研究量子力学基础问题。产生多光子纠缠的方法通常包括非线性过程产生光子对和多光子相互作用逻辑门，非线性过程包括原子级联跃迁[2]、二阶非线性晶体中的光学参量下转换过程[3,4]、硅基[5,6]或光纤[7]中的四波混频过程等。多光子相互作用逻辑门[8,9]包括熔接操作和控制相位门等。已经有很多使用以上两种方法实现的体块光学实验被报道[5-10]。但是体块光路实现多光子态以及应用存在光路庞大复杂、相位不稳定、价格较为昂贵、不能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，其特征是，所述光量子芯片基于波导光路的量子光源、量子光源的可配置分束网络、二维光栅阵列集成；量子光源由经典光处理部分、光参量转换部分和反向HOM干涉部分组成，得到两类双光子对，一类是双光子分离态，另一类是双光子路径叠加态；量子光源的可配置分束网络由多层级联Mach-Zehnder干涉仪组成，将量子光源区域产生的两类双光子分散到多个不同的配对路径，形成Dicke态所需要的多个双光子项，取这个多个双光子项的高阶项即得到路径编码的多光子Dicke态；二维光栅阵列实现将路径编码信息转移到偏振自由度上并输出到自由空间或者光纤，得到光量子芯片外的偏...

【技术特征摘要】
1.一种实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，其特征是，所述光量子芯片基于波导光路的量子光源、量子光源的可配置分束网络、二维光栅阵列集成；量子光源由经典光处理部分、光参量转换部分和反向HOM干涉部分组成，得到两类双光子对，一类是双光子分离态，另一类是双光子路径叠加态；量子光源的可配置分束网络由多层级联Mach-Zehnder干涉仪组成，将量子光源区域产生的两类双光子分散到多个不同的配对路径，形成Dicke态所需要的多个双光子项，取这个多个双光子项的高阶项即得到路径编码的多光子Dicke态；二维光栅阵列实现将路径编码信息转移到偏振自由度上并输出到自由空间或者光纤，得到光量子芯片外的偏振编码的多光子Dicke态；量子光源和其可配置分束网络中都包含相位调制器，相位调制器工作原理是在波导上方制作电极，通过干涉仪上内置的电光调制相移器来控制分束的目标路径及分束比例，即通过施加电场来改变波导中的折射率进而调制光子的相位，配置波导光路的干涉状态，控制量子光源中光子路径状态为分离或聚束或两种情况的任意比例相干叠加，实现多种不同的量子干涉输出结果，并用于配置量子光源的波导分束网络的分束比例。


2.根据权利要求1所述的的光量子芯片，其特征是，所述实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片依次分为三个区域；区域I产生叠加的双光子源，泵浦光经由波导光路分束后，在直波导或微环谐振腔中发生自发参量过程即光源参量转换，产生双光子对，双光子对再通过分束器实现反向Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉得到叠加状态的双光子态；区域Ⅰ包含两个反向HOM干涉装置，产生了两类双光子态，一类是双光子分别输出到两个波导的分离态，另一类是输出到另外两根波导的分离态和聚束态的叠加形式，这两类态的比例以及后一类态的分离和聚束态的比例都可以通过区域I中的相位调制器进行调节。区域II是分束网络，将区域I出来的两类双光子态以一定比例分散到多个不同的配对路径中，形成路径编码的多光子Dicke态；区域III是将光子的路径信息转换到光子的偏振上，通过二维光栅阵列进行转换并输出到片外，每一组路径的上下路径分别进入二维光栅的两个入口，经二维光栅以相互正交的偏振模式合成一路后输出到片外，得到偏振编码的Dicke态


3.根据权利要求2所述的的光量子芯片，其特征是，当m个光子在1模式(上路径)和(n-m)个光子在0模式(下路径)的通用Dicke态形式时，区域I中的分离态的两个光子会分别进入区域II中的上路径1→(n-m)和下路径1→m的分束网络，构成m×(n-m)个|01>双光子项；区域I中输出叠加态的两根波导会接区域II中的上路径1→m和下路经1→(n-m)的分束网络，构成m×(n-m)个|10>双光子项、个|11>双光子项、个|00>双光子项；分束网络出口的路径两两一组，组成n个路径编码量子位即上路径1→(n-m)的分束网络和下路径1→(n-m)的分束网络的出口两两一组构成(n-m)个路径编码量子位，上路径1→m的分束网络和下路径1→m的分束网络的出口两两一组构成m个路径编码量子位；双光子经由区域II演化结束后实现了制备Dicke态所需要的所有双光子项，取这些所有双光子的(n/2)阶项并且当在每个路径编码量子位上分别测到且仅测到一个光子，就得到了多光子路径编码的Dicke态


4.根据权利要求2或3所述的的光量子芯片，其特征是，芯片的具体构造：由光纤(2)将两种频率的泵浦激光经过耦合光栅(3)输入波导(4)；然后经Mach-Zehnder干涉仪(5)和两个多模干涉仪(6、7)分别输入到4个波导上(8、9、10、11)；分别进入4个参量转换源(12、13、14、15)产生同频光子对；上方的两个同频光子对...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐平，朱枰谕，刘英文，吴俊杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43