[发明专利]基于共线切割双折射晶体的量子行走装置

说明书

本发明公开了一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，该装置利用共线切割的双折射晶体实现自旋轨道耦合，同时保留时间复用量子行走方案的共线特征，保证其干涉可见度和稳定性；同时，由于不采用光学环(Optical Loop)的分束测量方案，可以排除过高的额外损耗，从而能够雇佣真正单光子源作为行走者并极大提高线性光学量子行走的规模。

技术领域

本发明涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置。

背景技术

量子行走是经典随机行走的量子推广。鉴于经典随机行走这样一个数学统计模型在多个传统领域的广泛应用，量子行走的概念一经提出便在多个学科领域广受关注。相较于经典随机行走，由于引入了量子相干性等量子特征，量子行走有望在这些领域中提供更为有效的解决实际问题的新思路。单就量子信息领域的应用来看:首先，量子行走是研究量子算法的一个重要工具，可以用于开发优越于经典算法的量子算法，例如效率达到O√N的量子搜索算法；其次，量子行走还被证明可以构建普适量子计算；量子行走甚至可以用于探索量子力学基本问题，如基于量子行走构建量子测量装置。和经典随机行走一样，在其它领域，如化学、生物学甚至医学同样具有广阔前景。

目前，对量子行走的研究已经由理论探索转向工程应用，所有基于量子行走的技术应用均依赖于建立具有一定规模的量子行走装置。目前能够进行这方面应用的实验系统较多，主要包括线性光学系统、NMR系统、腔QED系统、离子阱系统、中性束缚原子系统、量子点系统等等。

线性光学系统因其具有室温操作、受环境扰动小等优点，是最早用于量子信息研究的实验系统之一。利用线性光学系统实现量子行走一直是量子信息领域的研究热点和难点。基于该系统的量子行走实现方案主要包括两大类：即体光学和集成光学。

一、体光学量子行走

体光学是指基于传统的大尺度光学元件，光束传播可以用传统的琼斯矩阵予以描述的光学系统。其特点是现有制造技术成熟、系统可调节性强。缺点主要在于体积庞大，在多数需要光学干涉仪的场合稳定性差，难以扩展，系统规模受限。目前基于体光学的量子行走系统主要包括：

1、路径分束量子行走

得益于平行偏振分束器制造工艺的提升和大规模应用，利用平行偏振分束器进行路径维度的量子行走开创线性光学量子行走的先河。通过波片实现量子硬币操作，再通过平行偏振分束器实现自旋轨道耦合，鉴于该类型分束器分出的光束分开距离小，传播方向平行，干涉稳定度相对较高，实验应用较多。

2、时间复用量子行走

通过非平衡Mach-Zender干涉仪实现时间域的自旋轨道耦合，通过波片或者电光、声光调制晶体等实现量子硬币操作。鉴于时间域编码可以规避路径编码中的模式匹配，干涉不稳定等难题，基于非平衡干涉仪的量子行走装置规模上相对较大。

3、轨道角动量量子行走

将量子行走中行走者的位置空间编码到光子的轨道角动量维度，通过螺旋相位片和波片等实现自旋轨道耦合和量子硬币操作。目前受限于螺旋相位片的制造工艺以及轨道角动量维度操作和读取的难度，该类型的量子行走装置报道较少，规模也相对较小。

二、集成光学量子行走

集成光学是相对体光学而言的，主要是基于光刻波导工艺或者集成光子学芯片技术，将传统的体光学元件缩小到微米量级的光学系统。目前基于集成光学的量子行走装置包括：

1、光学波导量子行走

该类型的量子行走将行走者位置空间编码到彼此相邻的光学波导中，通过波导间的耦合和折射效应来实现量子行走。该技术方案依赖于波导加工工艺，且不可调节，单次产品仅能完成一个特定参数的量子行走。

2、片上光学量子行走