CN108319773B - 基于量子层析的量子门检测系统 - Google Patents

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Abstract

基于量子层析的量子门检测系统，属于量子信息技术领域，解决了现有量子门的运算正确性的检测问题。所述检测系统：通过切换偏振调制单元的调制模式，将线偏振光发生单元产生的线偏振光分别转换为三种偏振光，这三种偏振光的偏振方向两两非正交。每种偏振光依次经待测量子门的逻辑操作、偏振解调单元的相应解调、偏振分光单元的分光以及两个光电探测单元的转换后，成为第一电信号和第二电信号。最后，量子层析单元根据三种偏振光对应的三组第一电信号和第二电信号，重构待测量子门的传输么正矩阵，并根据该传输么正矩阵判断待测量子门是否满足设计要求。本发明所述基于量子层析的量子门检测系统特别适用于二维单比特量子门的检测。

Description

基于量子层析的量子门检测系统
技术领域
本发明涉及一种量子门检测系统，属于量子信息技术领域。
背景技术
近年来，随着电子计算机在电子集成与运算算法上的趋于极限，量子计算机受到了人们越来越多的关注。作为量子计算机的基础逻辑运算器件，量子门的运算是否正确对量子计算机的最终运算结果起着决定性的作用。任意一个量子门的运算错误均会导致量子计算机整个运算的失败。为此，现有量子计算机通常采用三模冗余系统设计来提高自身的容错能力。然而，在量子计算机的设计阶段，急需一种检测单个量子门的设计是否正确的方法。
发明内容
本发明为解决现有量子门的运算正确性的检测问题，提出了一种基于量子层析的量子门检测系统。
本发明所述的基于量子层析的量子门检测系统包括线偏振光发生单元1、偏振调制单元2、偏振解调单元3、偏振分光单元4、第一光电探测单元5、第二光电探测单元6和量子层析单元7；
偏振调制单元2用于将线偏振光发生单元1发出的线偏振光调制为第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光，第一偏振光、第二偏振光与第三偏振光的偏振方向两两非正交；
偏振调制单元2的出射光经待测量子门的逻辑操作后，入射至偏振解调单元3；
偏振解调单元3的解调模式与偏振调制单元2的调制模式相对应；
偏振分光单元4用于将偏振解调单元3的出射光分光为水平偏振光和竖直偏振光；
第一光电探测单元5用于将水平偏振光转换为第一电信号；
第二光电探测单元6用于将竖直偏振光转换为第二电信号；
量子层析单元7用于根据偏振调制单元2的三种调制模式下的第一电信号和第二电信号，重构得到待测量子门的传输么正矩阵，并根据该传输么正矩阵判断待测量子门是否满足设计要求。
作为优选的是，线偏振光发生单元1包括脉冲激光器8和偏振片9。
作为优选的是，偏振片9为格兰泰格棱镜。
作为优选的是，偏振调制单元2包括第一半波片10和第一四分之一波片11，第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光分别为水平偏振光、45°偏振光和右旋圆偏振光。
作为优选的是，偏振解调单元3包括第二半波片12和第二四分之一波片13。
作为优选的是，偏振分光单元4为偏振分光棱镜。
作为优选的是，第一光电探测单元5和第二光电探测单元6均为光电探测器。
本发明所述的基于量子层析的量子门检测系统，通过切换偏振调制单元的调制模式，将线偏振光发生单元产生的线偏振光分别转换为三种偏振光，这三种偏振光的偏振方向两两非正交。每种偏振光依次经待测量子门的逻辑操作、偏振解调单元的对应模式的解调、偏振分光单元的分光以及两个光电探测单元的转换后，成为第一电信号和第二电信号。最后，量子层析单元根据三种偏振光对应的三组第一电信号和第二电信号，得到待测量子门的传输么正矩阵，并根据该传输么正矩阵判断待测量子门是否满足设计要求，即逻辑运算是否正确。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于量子层析的量子门检测系统进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的基于量子层析的量子门检测系统的原理框图；
图2为实施例所述的基于量子层析的量子门检测系统的光路图，其中14和15分别为第一全反镜和第二全反镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于量子层析的量子门检测系统进一步说明。
实施例：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于量子层析的量子门检测系统包括线偏振光发生单元1、偏振调制单元2、偏振解调单元3、偏振分光单元4、第一光电探测单元5、第二光电探测单元6和量子层析单元7；
偏振调制单元2用于将线偏振光发生单元1发出的线偏振光调制为第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光，第一偏振光、第二偏振光与第三偏振光的偏振方向两两非正交；
偏振调制单元2的出射光经待测量子门的逻辑操作后，入射至偏振解调单元3；
偏振解调单元3的解调模式与偏振调制单元2的调制模式相对应；
偏振分光单元4用于将偏振解调单元3的出射光分光为水平偏振光和竖直偏振光；
第一光电探测单元5用于将水平偏振光转换为第一电信号；
第二光电探测单元6用于将竖直偏振光转换为第二电信号；
量子层析单元7用于根据偏振调制单元2的三种调制模式下的第一电信号和第二电信号，重构得到待测量子门的传输么正矩阵，并根据该传输么正矩阵判断待测量子门是否满足设计要求。
本实施例的线偏振光发生单元1包括脉冲激光器8和偏振片9。
本实施例的脉冲激光器8选用具有高功率稳定性和良好空间模式的单模激光器，用于产生单色性好的高斯光。
本实施例的偏振片9选用格兰泰格棱镜，在该格兰泰格棱镜上镀有单一波长增透膜，其消光比高于105：1。
本实施例的偏振调制单元2采用由第一半波片10与第一四分之一波片11构成的第一波片组合结构实现，通过调整第一波片组合结构的角度，能够将入射的线偏振光转换为第一偏振光、第二偏振光或第三偏振光，第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光分别为水平偏振光、45°偏振光和右旋圆偏振光。
本实施例的偏振解调单元3采用由第二半波片12与第二四分之一波片13构成的第二波片组合结构实现，第二波片组合结构与第一波片组合结构的角度相同且光路方向相反。
本实施例的第一半波片10和第二半波片12均镀有单一波长增透膜且延迟误差不超过二十分之一波长。
本实施例的第一四分之一波片11和第二四分之一波片13均镀有单一波长增透膜且延迟误差不超过二十分之一波长。
本实施例的偏振分光单元4选用偏振分光棱镜，其镀有单一波长增透膜，保证水平偏振光全部透射至第一光电探测单元5，竖直偏振光全部反射至第二光电探测单元6。
本实施例的第一全反镜14和第二全反镜15均用于改变光路方向。两者的反射损耗低于5％且在满足全反射条件下随入射角改变不明显。
本实施例的第一光电探测单元5和第二光电探测单元6均采用光电探测器来实现。在第一光电探测单元5和第二光电探测单元6的光敏面上均镀有窄带滤波膜，进而拥有较高的探测效率和损耗阈值。
本实施例所述的基于量子层析的量子门检测系统同时采用两个光电探测器进行探测，能够有效地消除传输损耗和激光功率起伏的影响。
下面详细介绍量子层析单元7的工作原理：
任意一个量子门的传输幺正矩阵U均能够分解为如下三个传输矩阵相乘的形式：
Figure GDA0002953494440000031
公式(1)中，δ、θ和
Figure GDA0002953494440000041
分别为待测量子门的三个待定参数，i为虚数单位。
将公式(1)化简整理为：
Figure GDA0002953494440000042
根据公式(2)可知：求得四个未知数a、b、c和d的值，即可确定量子门的传输幺正矩阵U。
当偏振调制单元2的出射光为水平偏振光时，第一光电探测单元5和第二光电探测单元6收到的光强分别为IH和IV，通过计算能够得到接收端水平偏振的比例为：
Figure GDA0002953494440000043
同理，当偏振调制单元2的出射光为45°偏振光和右旋圆偏振光时，接收端水平偏振的比例分别为：
PD＝a2+d2 (4)
PR＝a2+c2 (5)
幺正性是量子门在物理意义上的唯一限制条件，根据幺正矩阵的性质，能够得知：
a2+b2+c2+d2＝1 (6)
将公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)联立并求解，能够得到四个未知数a、b、c和d的值，进而得出该量子门的传输幺正矩阵。
将得到的传输幺正矩阵与该量子门的设计传输幺正矩阵进行对比，能够判断出该量子门是否满足设计要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，所述检测系统包括线偏振光发生单元(1)、偏振调制单元(2)、偏振解调单元(3)、偏振分光单元(4)、第一光电探测单元(5)、第二光电探测单元(6)和量子层析单元(7)；
偏振调制单元(2)用于将线偏振光发生单元(1)发出的线偏振光调制为第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光，第一偏振光、第二偏振光与第三偏振光的偏振方向两两非正交；
偏振调制单元(2)的出射光经待测量子门的逻辑操作后，入射至偏振解调单元(3)；
偏振解调单元(3)的解调模式与偏振调制单元(2)的调制模式相对应；
偏振分光单元(4)用于将偏振解调单元(3)的出射光分光为水平偏振光和竖直偏振光；
第一光电探测单元(5)用于将水平偏振光转换为第一电信号；
第二光电探测单元(6)用于将竖直偏振光转换为第二电信号；
量子层析单元(7)用于根据偏振调制单元(2)的三种调制模式下的第一电信号和第二电信号，重构得到待测量子门的传输么正矩阵，并根据该传输么正矩阵判断待测量子门是否满足设计要求。
2.如权利要求1所述的基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，线偏振光发生单元(1)包括脉冲激光器(8)和偏振片(9)。
3.如权利要求2所述的基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，偏振片(9)为格兰泰格棱镜。
4.如权利要求3所述的基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，偏振调制单元(2)包括第一半波片(10)和第一四分之一波片(11)，第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光分别为水平偏振光、45°偏振光和右旋圆偏振光。
5.如权利要求4所述的基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，偏振解调单元(3)包括第二半波片(12)和第二四分之一波片(13)。
6.如权利要求5所述的基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，偏振分光单元(4)为偏振分光棱镜。
7.如权利要求6所述的基于量子层析的量子门检测系统，其特征在于，第一光电探测单元(5)和第二光电探测单元(6)均为光电探测器。
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