光学量子逻辑门制造技术

本申请涉及光学量子逻辑门。提供了以2

【技术实现步骤摘要】
光学量子逻辑门
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年3月15日提交的第63/161,224号美国临时申请的权益，该美国临时申请通过引用以其整体并入本文。


[0003]本专利技术涉及光学计算设备，并且更具体地，涉及适用于光学量子计算的光学计算设备和光学系统。
[0004]背景
[0005]光学计算利用对可见光或红外光而不是电子计算中的电流的操纵来执行计算过程。通常，与电子系统相比，光学计算能够实现更快的计算速率。这在一定程度上是因为对光脉冲的操纵可以更快地发生，并且可以允许传输更高带宽的信息。例如，电流信号的传播速度仅为光速的10％，这是由于相对于光学体系(regime)而言，微波范围内的介电常数要大得多，这例证了光学计算的计算速率几乎提高了10倍。由于与电子不同的光子不是极性的并且不携带电荷，因此光学器件消耗的功率也更少，并且较少由于相邻电场而受到串扰的影响。
[0006]传统的光学处理系统通常利用电子
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光学混合处理，通常称为光电处理。在这些系统中，光学信号用于数据传输和某些处理操作，并被转换为电子信号用于某些其他处理操作。这种光电器件可能由于将电子能量转换为光子并转换回来而损失大约30％的能量。此外，光学信号与电子信号的相互转换减慢了数据的传输和处理速度。大量研究工作针对全光学计算，它消除了对光
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电
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光(OEO)转换的需求，从而减少了对电力的需求并提高了处理速率。
[0007]在传统技术中已经认识到全光学计算的问题，并且已经开发了各种技术来提供解决方案，例如：
[0008]国际专利公开WO 2017/033197教导了一种集成光学模块。光学模块包括多个光学耦合通道，并使其能够在人工神经网络(ANN)中使用。根据一些实施例，集成光学模块包括多纤芯光纤，其中纤芯被光学耦合。
[0009]国际专利公开WO 2019/186548公开了一种用于处理输入光的人工神经元单元和神经网络。人工神经元单元包括：模态混合单元，诸如多模光纤，该模态混合单元被配置用于接收输入光并将选择的混合应用于输入光内的两种或更多种模式的光分量，并用于提供出射光；以及过滤单元，该过滤单元被配置用于将预选的滤光片应用到所述出射光上来选择出射光的一种或更多种模式，从而提供人工神经元单元的输出光。
[0010]国际专利公开WO2021/064727公开了一种人工神经元网络和相应的神经元单元。神经元网络包括两层或更多层人工神经元单元。人工神经元单元的层被配置用于经由两个或更多个光波导(光纤)的布置在它们之间进行通信。两个或更多个光波导的布置被配置为在两个或更多个波导之间具有预先确定的耦合，从而提供所述两个或更多个层的神经元单元之间的交叉通信。
[0011]上文引用的参考文献教导了可适用于本公开的主题的背景信息。因此，在适当的情况下，这些公开的全部内容通过引用并入本文，用于附加或替代的细节、特征和/或技术背景的适当教导。
[0012]概述
[0013]在上文引用的先前工作中，本专利技术的专利技术人尤其公开了可用于光子集成电路(包括人工神经网络)的光学单元。专利技术人已经认识到并理解，光学单元可以被配置为使其能够作为可用于量子信息处理的光学量子逻辑门进行操作。
[0014]根据本公开主题的某些方面，提供了一种作用于n个量子位并以2
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酉矩阵为特征的光学量子逻辑门(OQLG)。OQLG包括：第一光学结构，该第一光学结构包括与由酉矩阵指定的输入二进制值具有一一对应关系的2
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个光学耦合纤芯；以及第二光学结构，该第二光学结构光学连接到第一光学结构，并包括对应于2
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个纤芯的2
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个放大通道。第一光学结构被配置为接收处于二进制基本量子态的光子，并且根据纤芯与光子的基本量子态的一一对应关系将接收到的光子注入2
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个纤芯中，该处于二进制基本量子态的光子表示由酉矩阵指定的输入二进制值；使用纤芯之间的光学耦合来混合注入的光子，其中使用由该酉矩阵指定的权重来混合光子；以及将光子输出到第二光学结构中，其中输出的混合光子对应于由矩阵指定的输出二进制值。第二光学结构被配置为放大在放大通道中的光子，其中以可控方式提供放大，对于在放大通道中传播的光子，保留其基本量子态和具有不同基本量子态的光子的相对数量。
[0015]作为非限制性示例，由酉矩阵指定的实数输入二进制值可以由垂直极化和水平极化的基本量子态表示。由酉矩阵指定的复数二进制值可以由处于基本量子态的光子的相应叠加(superposition)来表示。可选地，第一光学结构可以被配置为混合接收到的光子，并且从而在将叠加的光子注入对应于复数二进制值的纤芯中之前提供叠加。
[0016]根据进一步的方面并且可选地，结合本公开主题的其他方面，权重可以被预定义为第一光学结构的耦合长度的函数，其中耦合长度可以通过选择纤芯的光学参数和几何参数以及纤芯之间的包层的光学参数和几何参数来预定义。
[0017]根据进一步的方面并且可选地，结合本公开主题的其他方面，第一光学结构和第二光学结构可以被集成并实现在多纤芯光纤的相同纤芯上。可选地，多纤芯光纤中的2
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个纤芯中的每个纤芯可以被配置为包括作为第一光学结构的一部分的第一段以及在第一段之后并且作为第二光学结构的一部分的第二段。可选地，多纤芯光纤可以被配置为具有锥形配置，其中每个纤芯的第一段位于锥形部分中，使得第一段之间能够光学耦合，并且第二段位于宽部分中，从而实现足以防止第二段之间的光学相互作用的距离。
[0018]根据进一步的方面并且可选地，结合本公开主题的其他方面，每个放大通道与控制端口相关联，该控制端口被配置为响应于指定期望放大因子的控制信号来实现放大通道中所需的放大。每个放大通道可以浸渍有增益介质，该增益介质被配置为在与输出的混合光子相对应的第一波长范围内提供增益，该增益可响应于经由控制端口接收的泵浦光学信号而实现，并且该泵浦光学信号具有不同于第一波长范围的泵浦波长范围。
[0019]根据进一步的方面并且可选地，结合本公开主题的其他方面，可以至少通过定义泵浦光学信号的参数、增益介质和/或放大通道的有效长度来控制放大因子。
[0020]根据进一步的方面并且可选地，结合本公开主题的其他方面，上述OQLG可以被配
置为可布置成多个OQLG的全光学布置。
[0021]根据进一步的方面并且可选地，结合本公开主题的其他方面，使用纠缠现象(entanglement phenomena)可以进一步改善OQLG在全光学布置中的连通性和/或级联。例如，OQLG可以可操作地连接到至少一个第二OQLG，其中在光学结构的帮助下可以提供该OQLG的输出和该至少一个第二OQLG的输入之间的逻辑连接，该光学结构被配置为生成具有纠缠二进制基本量子态的多个光子，并且能够以一定的比例将生成的纠缠光子注入该OQLG的输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学量子逻辑门OQLG，其作用于n个量子位并以2
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*2
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酉矩阵为特征，所述OQLG包括：第一光学结构以及第二光学结构，所述第一光学结构包括与由所述酉矩阵指定的输入二进制值具有一一对应关系的2
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个光学耦合纤芯，所述第二光学结构光学连接到所述第一光学结构并且包括对应于所述2
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个纤芯的2
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个放大通道，其中，所述第一光学结构被配置为：接收处于二进制基本量子态的光子，并且根据纤芯与光子的基本量子态的一一对应关系将接收到的光子注入所述2
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个纤芯，所述处于二进制基本量子态的光子表示由所述酉矩阵指定的输入二进制值；使用所述纤芯之间的光学耦合来混合所注入的光子，其中使用由所述酉矩阵指定的权重来混合光子；和将光子输出到所述第二光学结构中，其中输出的混合光子对应于由所述矩阵指定的输出二进制值；并且其中，所述第二光学结构被配置为放大在所述放大通道中的光子，其中所述放大以可控方式提供，对于在所述放大通道中传播的光子，保留所述光子的基本量子态和具有不同基本量子态的光子的相对数量。2.根据权利要求1所述的OQLG，其中，由所述酉矩阵指定的实数输入二进制值由垂直极化和水平极化的基本量子态表示。3.根据权利要求1所述的OQLG，其中，由所述酉矩阵指定的复数二进制值由处于基本量子态的光子的相应叠加来表示。4.根据权利要求3所述的OQLG，其中，所述第一光学结构被配置为在将叠加的光子注入对应于所述复数二进制值的纤芯中之前，混合接收到的光子以提供所述叠加。5.根据权利要求1所述的OQLG，其中，所述权重被预定义为所述第一光学结构的耦合长度的函数，并且其中，所述耦合长度通过选择所述纤芯的光学参数和几何参数以及所述纤芯之间的包层的光学参数和几何参数来预定义。6.根据权利要求1所述的OQLG，其中，所述第一光学结构和所述第二光学结构被集成并且实现在多纤芯光纤的相同纤芯上。7.根据权利要求6所述的OQLG，其中，所述多纤芯光纤中的2
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个纤芯中的每个纤芯被配置为包括作为所述第一光学结构的一部分的第一段以及在所述第一段之后并且作为所述第二光学结构的一部分的第二段。8.根据权利要求7所述的OQLG，其中，所述多纤芯光纤被配置为具有锥形配置，其中每个纤芯的第一段位于锥形部分中以能够在所述第一段之间进行光学耦合，并且第二段位于宽部分中以实现足以防止所述第二段之间的光学相互作用的距离。9.根据权利要求1所述的OQLG，其中，每个放大通道都与控制端口相关联，所述控制端口被配置为响应于指定期望放大因子的控制信号来实现所述放大通道中所需的放大。10.根据权利要求9所述的OQLG，其中，每个放大通道都浸渍有增益介质，所述增益介质被配置为在与输出的混合光子相对应的第一波长范围内提供增益，并且其中，所述增益能够响应于经由所述控制端口接收的泵浦光学信号实现，并且所述泵浦光学信号具有不同于所述第一波长范围的泵浦波长范围。
11.根据权利要求10所...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃亚，
申请(专利权)人：科格尼菲博有限公司，
类型：发明
国别省市：