[实用新型]一种光量子芯片及教学机系统

说明书

本申请公开了一种光量子芯片及教学机系统，光量子芯片包括六模式干涉网络，具有6个光子输入端、11个MZ干涉仪和6个光子输出端，11个MZ干涉仪级联形成网络结构，光路简洁且具有全连通、可编程、相位稳定的特点；通过安装在上位机上的软件操作系统编程控制不同MZ干涉仪的状态，在进行不同的实验时输入不同的实验参数，实现不同实验光路的快速切换，操作方便，同时实现了光源、探测器等外围高价器件的复用，极大地降低了实验成本，适合量子教学和演示；采用统一固定的输入和输出接口，免除不同实验场景下接口的切换，避免教学场景中学生误操作导致光路和光纤接口损坏的问题，提高了教学机系统的稳定性以及降低教学机系统的故障率。

技术领域

本实用新型属于量子信息与量子教学技术领域，具体而言，涉及一种光量子芯片及教学机系统。

背景技术

量子信息技术是各国科技竞争的前沿方向，包括量子计算、量子密钥分发、量子精密测量等细分领域。由于量子力学的叠加性、不确定性以及纠缠等特性，使得量子信息技术可以实现超越经典计算机的存储和计算能力、信息论意义上的无条件安全保密通信以及超越经典分辨率极限的测量精度等优势。量子光学是量子信息技术实现的重要途径和研究基础，集成光芯片技术相对于空间光路具有高稳定性、低成本以及可量产等优点。近年来利用集成光芯片技术实现量子信息实验成为研究热点和发展趋势。

单光子干涉和双光子干涉(也被称为HOM干涉)是量子光学中最为基础的实验和技术。其中单光子干涉广泛应用于多种量子密钥分发协议(如BB84协议)、量子传感、量子计算的路径编码等领域，双光子干涉被应用于玻色采样、测量设备无关类量子密钥分发协议等。

在量子光学系统中进行玻色采样可实现对矩阵积和式的运算，而这一运算对于经典计算机是困难的，即其计算复杂度随矩阵大小指数增长，但对于具有并行计算能力的量子系统计算复杂度却不是指数增长，因此玻色采样任务是演示量子计算优越性的典型实验。

对于量子计算而言，主流有两种计算架构，即基于幺正演化的量子门电路的计算架构和基于测量的量子计算模型。两种架构各有优劣，均可以实现普适量子计算。对于量子门电路模型而言，理论上可以通过两比特受控非门(CNOT门)和单比特量子门组合为任意量子门的集合，即可以实现普适量子计算，因此两比特受控非门是量子门电路模型的基础构成单元。

目前，量子信息技术的发展还处于初级阶段，大众对量子信息技术存在诸多曲解，量子教学也还处于理论学习阶段。在量子教学中，量子实验如基于标记单光子源的单光子干涉实验、基于单通道光子的单光子干涉实验、HOM干涉实验、两光子玻色采样实验以及两光子受控非门等实验对于理解量子信息技术尤其重要。量子信息技术的发展亟需培养人才，尤其针对低年级研究生、本科和专科学生、高中生的量子信息教育教学至关重要，同时需要研制出利于大规模推广、成本低、操作便捷、稳定性高的量子教学系统或设备。

发明内容

基于上述问题，本实用新型提供一种光量子芯片及教学机系统，通过编程控制MZ干涉仪的状态，实现不同实验光路的切换和光学器件的复用，降低了教学成本，同时提高了教学系统的稳定性和可推广性。其具体方案如下：

第一方面，本实用新型公开了一种光量子芯片，所述光量子芯片包括六模式干涉网络，所述六模式干涉网络包括6个光子输入端、11个MZ干涉仪和6个光子输出端；11个所述MZ干涉仪分别为第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪、第四MZ干涉仪、第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪、第八MZ干涉仪、第九MZ干涉仪、第十MZ干涉仪和第十一MZ干涉仪；六个所述光子输入端分别为第一光子输入端、第二光子输入端、第三光子输入端、第四光子输入端、第五光子输入端和第六光子输入端，所述第二光子输入端和所述第三光子输入端用于输入纠缠光子；六个所述光子输出端分别为第一光子输出端、第二光子输出端、第三光子输出端、第四光子输出端、第五光子输出端和第六光子输出端，所述第二光子输出端和所述第三光子输出端用于输出经过六模式干涉网络传输的光量子态；