[发明专利]一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法

说明书

本发明公开了一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，该方法采用反向设计方法将结构区域设置成m×n的结构矩阵，按照数组的序号对应结构矩阵的位置上有a nm×a nm像素点，像素点被赋予了不同的初始值，然后利用FDTD算法和m×n的结构矩阵每个像素赋予的初值分别计算不同输入模式的输出端口中各个模式的比例，并按照结构矩阵数组中的序号找到结构矩阵中对应的位置进行变换操作，若操作后新的FOM值大于之前的FOM值，则保留这种结构变化，同时FOM被更新为新的结构的FOM，否则，反之；若FOM没有改变则局部最优解。本发明通过对器件区域的折射率分布不断改变，最终获得局部最优或全局最优解，大大提高了结构的精准程度，提高了硅基亚波长结构的性能。

技术领域

本发明涉及微纳光电子和量子信息技术领域，具体涉及一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法。

背景技术

量子计算(quantum computation)是基于量子力学基本原理的具有超强并行计算能力的全新计算方式。如果用二进制的“0”和“1”来表示信息,经典计算机中处理信息的经典比特(bit)在某个特定时刻只能处于“0”或者“1”，单次操作N个bit只能对2^N个数中的1个数进行运算，而量子计算机中的量子比特(qubit)则可以处在|0和|1的任意叠加态(α|0+β|1)上，单次操作N个qubit能够同时实现对2N个数的并行运算,这种叠加特性使得量子计算机在处理某些特定问题如密码破译和数据搜索时具有超越经典计算机的明显优势。

通用型量子计算机的处理器由量子逻辑门(quantum logic gate)组成。量子逻辑门通过量子力学的幺正变换完成对量子比特的受控演化,是实现量子计算的基础。

在众多量子系统中,光量子系统凭借着它天然的优势,在几十年量子信息的发展过程中一直处于领先地位。光子是一种飞行的量子比特,其超快的传播速度非常利于作为信息传输的载体。光量子态在传输过程中,对环境噪声有着很好的免疫,在经历很长的传输距离和时间后仍然能够保持其相干性。同时,光子有很多自由度可以用来编码,包括光子的路径、偏振、轨道角动量、频率、时间等,同时在集成光学器件中,波导模式也可以用来编码信息。在所有量子系统中,光量子系统对硬件的要求是最低的,不需要在真空和低温的环境下操作,这降低了量子态的调控难度,同时使得光子系统最利于做原理展示和实验验证。

目前的主要研究方向有两类：一是在自由空间中操纵光子的线性光学量子计算，它操作简单、技术成熟，目前绝大多数量子计算方案都是在自由空间光学系统中首先被验证的，但其可扩展性差、稳定性差，非常容易受到环境因素扰动；二是基于集成芯片的光量子计算，芯片中通常使用光波导来构建复杂的光子回路。尽管波导芯片系统目前还是处于起步阶段，但是具有良好的可扩展性、稳定性和高集成度，因此前景广阔。同时，高维量子通信具有如下诸多优势：1)具有更大的信息容量；2)对噪声有更高的容忍度；3)增强了对量子克隆的鲁棒性；4)更显著地违反了定域理论和贝尔不等式。因此，近年来高维量子通信吸引了越来越多研究者的热切关注。

亚波长结构(Sub-Wavelength Structure，SWS)是一种周期远小于材料等效波长的阵列化结构，即周期Λ＜＜λ(2n_eff)，其中λ为真空波长，n_eff为等效折射率。由于其周期远小于波长，亚波长结构中只存在零级衍射，光的高阶衍射级次均不能向自由空间传播，只能束缚在结构内部，因此可将其整体视为一层各向异性的介质。通过将依照亚波长尺度变化的设计图案刻蚀在绝缘体上的硅材料(Silicon on insulator，SOI)表面，并填充其他的材料(如：空气、二氧化硅等)，可以实现具有目标功能的器件。