一种基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置方法技术

基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置方法，芯片结构包括量子频率梳光源、路径

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置方法


[0001]本专利技术涉及量子信息技术、光量子芯片和非线性光学领域，用于制备可扩展的频率标记的多光子GHZ态。

技术介绍

[0002]量子纠缠态是量子通信、量子计算等量子信息技术中的核心资源。GHZ态又称“薛定谔猫”态[1]，是所有子系统状态都不同的状态的叠加，如三光子GHZ态：GHZ态具有特殊的性质，其功能包括用于进行非局域性的验证[2]和量子纠错[3]等。制备多光子GHZ态一直是量子信息领域的研究难点和热点。目前已有不少多光子GHZ态制备的实验被报道，包括体块光学平台的实验[4-6]和光量子芯片实验[7]，常用的制备方法是利用线性光学后选门对光子间进行相互作用来得到，比如四光子GHZ的制备方法可以通过两个自发参量下转换过程得到的两个纠缠态中各取一路进入一个熔接操作来实现[4]。这类方案所需的非线性参量转换单元和其它实验器件数量都很多，且随着规模扩大，所需器件和路径的数量也增多，单元器件数量一般为O(n)量级，n为GHZ态的总光子数，如参考文献6的方案，代表了体块光路设计的最高水平，但是光路还是比较复杂的，且随着光子数或者路径模式增多，在进行量子态传输时也需要占用多个空间通道。即传统的制备GHZ态的方法具有制备系统复杂、空间传输资源消耗大等缺点，且传统的GHZ态制备方法都是采用体块光路，特别该体系涉及很多个分立非线性晶体和光学元件，更加难以稳定、难以制备出高品质的GHZ态。
[0003]参考文献:
[0004]1.D.M.Greenberger,M.A.Horne,A.Shimony,A.Zeilinger,American Journal of Physics 12,58(1998).
[0005]2.J.-W.Pan,D.Bouwmeester,M.Daniell,H.Weinfurter,&A.Zeilinger,Nature 403,515(2000).
[0006]3.A.G.Fowler,M.Mariantoni,J.M.Martinis,&A.N.Cleland,Phys.Rev.A 86,032324(2012)
[0007]4.Y.Huang,B.Liu,L.Peng,Y.Li,L.Li,C.Li,G.Guo,Nature Communications 2,1,546(2011).
[0008]5.R.Prevedel,G.Cronenberg,M.Tame,M.Paternostro,P.Walther,M.S.Kim,A.Zeilinger,Phys.Re.Lett.103,020503(2009).
[0009]6.H.-S.Zhong,Y.Li,W.Li,L.-C.Peng,Z.-E.Su,Y.Hu,Y.-M.He,X.Ding,W.Zhang,H.Li,L.Zhang,Z.Wang,L.You,X.-L.Wang,X.Jiang,L.Li,Y.-A.Chen,N.-L.Liu,C.-Y.Lu,J.-W.Pan,Phys.Rev.Lett.121,250505(2018).
[0010]7.J.C.Adcock,C.Vigliar,R.Santagati,J.W.Silverstone,M.G.Thompson,Nature communications 10,1(2019).

技术实现思路

[0011]本专利技术目的是，解决上面所提到的GHZ制备存在的问题，提供了一种超集成GHZ态产生芯片，GHZ态产生原理是基于量子频率梳即每个光子的频率不同，具有简单、易实现、光子数可扩展、传输信道开销小、可切换成多种编码等特点。
[0012]本专利技术的技术方案是：基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置方法，其芯片结构包括量子频率梳光源、路径-偏振转换器；量子频率梳光源包括包含2-3个独立且相干的能产生频率梳关联光子对的非线性光学参量转换单元和波分复用单元；量子频率梳光源产生两套覆盖所有频率的光子对，分别从上、下两个路径输出，每个路径输出的双光子在频率上因为能量守恒而两两配对，但是上、下两路对应两种完全不同的配对方式，构成GHZ态的两项，当每个频率有且仅有一个光子时得到频率标记的多光子路径编码GHZ态。路径-偏振转换器将光子的路径信息转移到偏振自由度上，得到多光子偏振编码GHZ态。
[0013]多个(2-3个)参量转换光源和波分复用模块，实现相干泵浦得到频域的双光子高维叠加态。双光子高维叠加态中根据能量守恒是两两配对的，共有两种配对方式，两种配对方式中没有任何相同的频率对，这两种配对方式的双光子分别从两个波导路径输出。考虑多个双光子事件，且每个频率有且只有一个光子时，就制备了路径编码的GHZ态。
[0014]当GHZ态光子数为偶数时，芯片分为两个区域，第一区域使用三束不同频率的泵浦光相干地在参量转换光源中发生自发参量过程，产生三个双光子频率梳；第一区域包含两个路径(上路径和下路径)，上路径设有一个参量转换光源，下路径包含串联的两个参量转换光源；下路径的两个参量光源之间设置有一个波分复用器件，用于过滤前面参量源的泵浦光、引入第三个泵浦光泵浦后面的参量源并且合并两个参量源产生的频率梳到同一路径上；上、下两个路径输出的双光子在频率上是两两配对的，上下两路对应两种不同的频率配对方式，两种配对方式中没有任何一个频率对是相同的，这两种配对方式构成了GHZ的两项。所述区域一中三束不同频率的泵浦激光分别为参量转换光源并分别在三个参量转换过程。每个参量转换光源产生一个以对应泵浦激光频率为中心的光子对频率梳，三个参量转换过程是相干的，产生的三组频率梳相干叠加；
[0015]第二区域是路径-偏振转换器，将第一区域中产生的两路光子进行合束，并将光子所携带的路径信息转移到偏振编码上，即上路径的光子转换为某种线偏振的光子，下路径的光子转换为和上路输出正交的线偏振光子，通过调整第三束泵浦激光的频率调整目标态的光子数规模，通过调节第三束泵浦激光的功率和相位调整目标GHZ态中两项的相对振幅和相对相位，构建最大纠缠；最终输出偏振编码GHZ态到片外光纤或者自由空间中。合束是指区域二使用一个二维光栅进行路径到偏振的转换，将两路合成一路后输出至片外，并生成和路径相关的偏振信息。进一步，本专利技术的方法即基于量子频率梳的可扩展GHZ态产生方法，方法分为两个主要步骤，制备量子光源和自由度转换。以集成芯片方案为例，使用二阶或三阶非线性材料为基质材料进行波导加工，集成包含干涉仪、相位调制器、二维光栅等片上元件，将输入的经典光转化多频率模式上的多光子GHZ态。
[0016]当GHZ态光子数为偶数时，使用三个泵浦分别泵浦三个参量转换光源产生含不同频率光子对的光学频率梳用于配置GHZ态的两项。如图1，频率w
a
的泵浦激光(1)由光纤(2)经过耦合单元(3)输入上方波导(4)，进入第一个参量转换光源(5)发生自发参量过程并产生以频率w
a
为中心的光子对频率梳；频率w
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置方法，其特征是，芯片结构包括量子频率梳光源、路径-偏振转换器；量子频率梳光源包括包含2-3个独立且相干的能产生频率梳关联光子对的非线性光学参量转换单元和波分复用单元；量子频率梳光源产生两套覆盖所有频率的光子对，分别从上、下两个路径输出，每个路径输出的双光子在频率上因为能量守恒而两两配对，但是上、下两路对应两种完全不同的配对方式，构成GHZ态的两项，当每个频率有且仅有一个光子时得到频率标记的多光子路径编码GHZ态；路径-偏振转换器将光子的路径信息转移到偏振自由度上，得到多光子偏振编码GHZ态。2.根据权利要求1所述的基于量子频率梳的可扩展GHZ态产生方法，其特征是，当GHZ态光子数为偶数时，芯片分为两个区域，第一区域使用三束不同频率的泵浦光相干地在参量转换光源中发生自发参量过程，产生三个双光子频率梳；第一区域包含两个路径(上路径和下路径)，上路径设有一个参量转换光源，下路径包含串联的两个参量转换光源；下路径的两个参量光源之间设置有一个波分复用器件，用于过滤前面参量源的泵浦光、引入第三个泵浦光泵浦后面的参量源并且合并两个参量源产生的频率梳到同一路径上；上、下两个路径每个路径输出的双光子在频率上都是两两配对的，上下两路对应两种不同的频率配对方式，两种配对方式中没有任何一个频率配对是相同的，这两种配对方式构成了GHZ的两项；所述区域一中三束不同频率的泵浦激光分别为参量转换光源并分别在三个参量转换过程；每个参量转换光源产生一个以对应泵浦激光频率为中心的光子对频率梳，三个参量转换过程是相干的，产生的三组频率梳相干叠加；第二区域是路径-偏振转换器，将第一区域中产生的两路光子进行合束，并将光子所携带的路径信息转移到偏振编码上，即上路径的光子转换为某线偏振的光子，下路径的光子转换为和上路输出正交的线偏振光子，通过调整第三束泵浦激光的频率调整目标态的光子数规模，通过调节第三束泵浦激光的功率和相位调整目标GHZ态中两项的相对振幅和相对相位，构建最大纠缠；最终输出偏振编码GHZ态到片外光纤或者自由空间中；合束是指区域二使用一个二维光栅进行路径到偏振的转换，将两路合成一路后输出至片外，并生成和路径相关的偏振信息。3.根据权利要求1所述的基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置方法，其特征是，当GHZ态光子数为偶数时，使用三个泵浦分别泵浦三个参量转换光源产生含不同频率光子对的光学频率梳用于配置GHZ态的两项。如图1，频率w
a
的泵浦激光(1)由光纤(2)经过耦合单元(3)输入上方波导(4)，进入第一个参量转换光源(5)发生自发参量过程并产生以频率w
a
为中心的光子对频率梳；频率w
b
的泵浦激光(6)由光纤(7)经过耦合单元(8)输入下方波导(9)，进入第二个参量转换光源(10)发生自发参量过程并产生以频率w
b
为中心的光子对频率梳；之后下方波导中频率w
b
的泵浦激光经过部分复用单元如不等臂Mach-Zehnder干涉仪(11)后被滤出至波导(17)，参量转换得到的光子对经波分复用单元11后仍然在下方波导(9)中向后传输；频率w
c
的泵浦激光(12)由光纤(13)经过耦合单元(14)输入波导(15)，由相位调制器(16)调节其相位，然后泵浦激光经过波分复用单元11进入下方波导(9)，随后进入第三个参量转换光源(18)发生自发参量过程并产生以频率w
c
为中心的光子对频率梳；上方波导(4)和下方波导(9)中的光子分别进入二维光栅(19)的两个入口进行合并，将路径编码转换为偏振编码并输出到自由空间或光纤(20)。4.根据权利要求1所述的基于量子频率梳的GHZ态产生芯片的设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐平，朱枰谕，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：