[实用新型]实现多光子场波导模式纠缠的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及集成平面光波导技术在量子计算和量子通信领域的应用，尤其涉及一种实现多光子场波导模式纠缠的装置。

背景技术

量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学基本原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。近年来，量子信息学成为了一个有希望在计算、通信、精密测量以及基础量子学等方面带来革命性进展的研究领域。随着一些重要研究进展的出现，九十年代中期量子信息学进入了一个蓬勃发展的新时期。这些重要研究的进展中最具影响力的是Peter Shor证明了量子计算机能够极其有效地进行大数的因式分解，而大数因式分解的复杂性正是保证商用RSA加密技术难以破解的关键所在，量子计算对传统的加密技术提出了挑战。然而幸运的是，同样利用量子力学的基本原理，量子通信和量子密码技术却为信息传输提供了一种从物理原理上保证不可破解的全新的保密技术。由此可以看出，由量子计算、量子通信和量子密码构成的量子信息学给信息技术的发展带来的是一场全方位、深层次的革命。目前，量子信息技术的研究已经进入了一个发展的新阶段，量子密码技术已经开始进入实用化，量子计算和量子通信也已经在实验上证明了其可行性。

众多的研究已经揭示出实现量子计算和量子通信的关键在于量子纠缠。量子纠缠是量子系统展示出的一种奇特的非局域性质，它体现在对空间分隔的两个粒子的进行相关测量上，这种非局域性质的判别依据是Bell不等式的破坏。这种量子态可以利用量子计算的控制非门实现，当控制位处于0和1的叠加态，而目标位处于0或者1态时，控制非门的输出就是量子纠缠态。研究证明量子计算是否具有超越经典计算能力的关键在于控制非门能否实现量子纠缠态。同时量子纠缠态又是实现量子隐形传态的关键，基于量子隐形传态能够实现更为安全和高速的量子保密通信技术。因此，可以认为量子纠缠态的实现是量子信息技术的最重要、最关键的问题之一。

在众多的量子计算和量子通信实现方案中，光子被认为是实现量子计算和量子通信的最理想载体之一，一方面因为光子与周围环境的相互作用非常弱，在传输和操作过程中能够保持良好的相干性，克服量子退相干效应的影响；另一方面因为光子以光速传播能够实现量子状态的高速操作和转移，并且能够通过光纤实现远距离量子通信。虽然基于光子的量子计算具有众多的优点，但是由于光子与光子之间的相互作用非常弱，实现单光子的量子控制非门非常困难，这也是实现基于光子技术的量子计算和量子通信需要解决最重要的问题。

近年来，为了满足光纤通信技术的需求，集成平面光波导技术得到了迅速发展。与集成电路的发展相似，许多分立的光学器件逐步被集成平面光波导器件所替代，如光开关、波分复用器、光耦合器、光放大器等，这些器件已经广泛地应用在光纤通信系统中。随着集成平面光波导技术的发展，特别是光子晶体等新一代集成光学技术的发展，基于光子的信息处理将进入一个全光的集成化时代。众所周知，在集成平面光波导中，光场被约束在一个具有较高折射率的芯层区域内，会产生一系列不连续的横向本征模式，这些本征模式对应着离散的传播常数。这些离散的模式与量子态之间许多性质完全相似，同样具有测不准原理以及在Wigner表象下存在负值区域等，这种相似性质更深层次的原因在于描述电磁场的麦克斯韦方程与描述量子的薛定谔方程之间的相似性。一些研究进一步指出经典电磁场可以当成单光子的量子波函数，这样麦克斯韦方程就可以表述为矩阵形式的薛定谔方程。由此可以看出，波导中光场的横向模式完全具有与量子波函数相类似的性质。量子态能够实现的量子纠缠性质，基于多光子场的波导模式也能实现类似的非局域性质。

发明内容

本实用新型的目的是克服单光子的量子计算难以实现的困难，提供一种实现多光子场波导模式纠缠的装置。

实现多光子场波导模式纠缠的装置包括相连接的模式纠缠产生系统、模式相关测量系统，模式纠缠产生系统包括控制光场与第一方向耦合器、第二方向耦合器相连接，目标光场与马赫-增德尔干涉仪相连接，马赫-增德尔干涉仪两臂上装有两个光学非线性单元，马赫-增德尔干涉仪一臂上的光学非线性单元通过第一方向耦合器、第二方向耦合器与控制光场相连接；模式相关测量系统包括两个模式分析器，每个模式分析器都带有相连接的相位调制器和Y型分支器，Y型分支器的输出端分别与两光探测器一端相连接，两光探测器的另一端与差分器一端相连接，两差分器另一端与相关分析器相连接，系统中的各个光器件为双模波导构成的器件，各个光器件之间采用双模波导连接。

所述的双模波导是指至少容许光场两个正交模式在其中传播的波导，其中高阶模式被编码为量子比特1，低阶模式被编码为量子比特0。