CN110505022A - 能产生反演对称波包的复合量子节点及确定性量子态转移方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子信息技术领域，公开了一种由静态量子比特、谐振腔系统和波导构成的复合量子节点，以及基于该量子节点的确定性量子态转移方法。复合量子节点包括，静态量子比特与谐振腔系统耦合，谐振腔系统与波导耦合。量子节点中的量子比特通过谐振腔系统间接以接近100％的效率接入到量子网络，同时在波导中产生时域反演对称的波包信号，从而实现从发送端到接收端的高效率的量子态转移。本发明无需外加任何随时间变化的控制，发送节点即可产生时域反演对称的单光子波包，接收节点可以完全吸收单光子波包实现成功率可接近100％的量子态转移。

Description

能产生反演对称波包的复合量子节点及确定性量子态转移 方法

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其是一种能产生反演对称波包的的复合量子节点，以及基于此类节点确定性量子态转移的方法。

背景技术

量子计算、量子通信潜在的强大功能，都依赖于一个具有复杂拓扑结构的量子网络中量子比特间的功能性连接。量子网络中的不同节点不仅能够存储信息，节点之间还需要交换传递信息。节点间任意量子态的高保真度转移是实现功能性量子网络的基础。基于集成的量子光子学技术有望构建大规模功能性量子网络，从而实现片上的分布式量子信息处理以及计算单元。

确定性的量子态转移依赖于空间中处于不同位置的静态量子比特之间单量子波包的辐射和吸收，一个静态量子比特A将携带的量子信息编码到传播的单量子波包上，波包传播一定距离后被另外一个静态量子比特B完全吸收，从而完成信息从量子比特A到B的转移。理想的量子态转移需要静态量子比特A辐射的量子波包被静态量子比特B完全吸收。孤立静态量子比特辐射的波包呈指数衰减，与完美吸收所需的指数增长波包在时间域上不匹配，导致理论上真空中量子态转移效率低于54％。空间域上的传播模式匹配在真空中同样难以实现。

为了达到空间模式匹配，可以借助于谐振腔增强静态量子比特与腔模的耦合，使静态量子比特的辐射几乎全部耦合到波导中去。目前实现时间域上匹配的主要方法有绝热量子态转移、波包塑型、对辐射波包进行时间反演变换等。这些方法都需要对不同量子节点施加非常精确的时间变化调制来实现量子态的高效转移。对于需要大规模集成的量子芯片，这些外加控制显然会限制集成的规模与性能，不利于量子网络的规模化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够产生时域反演对称波包的复合量子节点以及基于该复合量子节点的高效率确定性量子态转移方法。

为解决上述技术问题，本发明首先提出一种能够产生时域反演对称波包的复合量子节点，包括静态量子比特与耦合谐振腔系统耦合，耦合谐振腔系统与波导耦合，所述静态量子比特能够吸收波包，跃迁到高能级。

进一步的，所述耦合谐振腔系统包括的数量为1个、2个或2个以上的谐振腔。

在谐振腔数量为2个或2个以上时，相邻的谐振腔之间相互耦合，产生能量与信息的交换。

更优选的，所述耦合谐振腔首尾相联排成链式结构，静态量子比特与首端的谐振腔相联耦合，末端的谐振腔与波导相联耦合。该结构采用了最简单有效的几何拓扑联接方式，通过优化量子比特与谐振腔之间的耦合系数、谐振腔之间的耦合系数、谐振腔与波导之间的耦合系数，能够有效地将指数衰减的波包转化为近乎完美的时间域上反演对称的波包，从而可被用于两相同节点之间高效的量子态转移。

较佳的，所述谐振腔为微环谐振腔。

优选的，三个相同所述微环谐振腔首尾相联排成链式结构，第一个微环谐振腔和静态量子比特耦合，第三个微环谐振腔和波导靠近耦合。通过设计二能级系统和微环谐振腔的耦合强度g、第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合强度J₁₂、第二微环谐振腔与第三微环谐振腔之间的耦合强度J₂₃、环形腔与波导的耦合强度κ，能够使静态量子比特在与级联微环谐振腔系统耦合之后辐射到波导的单光子波包具有时间域上近乎完美的反演对称性。

所述波导支持单量子波包在空间上转移而在时间域上的波形不发生色散畸变，并且作为节点的输入输出通道。

优选的，所述复合量子节点为片上集成量子节点。

所述微环谐振腔由一种介质波导弯曲成环形构成，将光子局域在很小的空间范围内，通过调节间距实现与二能级系统及相互之间从弱耦合到强耦合的耦合强度。

优选的，所述波导采用介质波导，具有低色散、低损耗特性。所述介质波导，可以是SiO₂,Si,AlN,Al₂O₃,GaP,LiNbO₃等材料体系。

所可选的，所述静态量子比特、谐振腔、波导为光学、微波超导电路或声波机械振动器件，或者三者的混合搭配。

本发明还提出了一种基于复合量子节点的高效确定性量子态转移方法，一个所述复合量子节点作为发送节点，静态量子比特通过耦合谐振腔系统间接接入到量子网络，发送节点无需外加任何随时间变化的控制，就在波导中产生时域反演对称的单量子信号波包；作为接收节点的所述复合量子节点完全吸收波包，实现高效的确定性量子态转移。

本发明具有以下优点：

1、本发明的复合量子节点不需要外加任何随时间变化的控制，就可以辐射出在时域上接近100％反演对称的单量子波包，另一个相同的节点可以再完全吸收该波包，从而该种复合节点可以用于实现量子网络中高效的量子态转移。

2、本发明量子态转移方法的实施，不需要外加任何随时间变化的外场调制，在实际应用中更加易于实现。

3、本发明设计的复合量子节点，采用了最简单的链式结构，充分发挥了耦合谐振腔的作用，是一种易于实现的几何拓扑联接结构。

4、本发明所述的量子节点，采用纯介质耦合谐振腔，与介质波导联接，在保证耦合强度的同时，损耗达到可以忽略的水平。

5、本发明所述的量子节点设计直接借助于现有成熟的CMOS工艺加工，实现片上大批量集成的集成量子芯片。

6、本发明所述量子节点，由于可以在片上集成且不需要外加时间变化调制，因此能做成便携式光学芯片设备。

7、本发明所述方法，适用于光波片上集成系统、微波的超导电路系统、声波机械振动系统，及其混合系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为两个量子节点之间量子态转移的示意图。图中：1，节点A，原本存储有量子信息的节点；2，波导，用于传输携带有量子信息的单量子波包；3，节点A辐射出的单量子波包；4，节点B，接收量子态的节点。

图2是复合量子节点的结构示意图。图中：5，任一量子节点；6，单个谐振腔；7，代表腔与腔之间任意的联接耦合方式；8，二能级量子比特或三能级量量子比特；9，量子节点与波导的耦合接口。

图3是一种优化的链式结构的联接方式示意图。图中：5，量子节点；6，单个谐振腔；7，省略的级联联接的谐振腔；8，二能级量子比特或三能级量量子比特；9，量子节点与波导的耦合接口。

图4是集成量子节点设计的具体结构示意图。图中：5，一个量子节点；8，多能级静态量子比特，例如二能级量子比特或三能级量量子比特；10，微环谐振腔；11，介质波导；3，单光子波包(节点A辐射或节点B接收)；

图5是图4量子节点在不同耦合强度系数条件下所辐射的单光子波包的时间域上的反演对称性。(a)是较大参数区域的对称性因子分布图，(b)是对(a)局部区域放大的对称性因子分布图。

图6是当耦合强度满足(J₁₂，J₂₃，κ)/g＝(1.88，2.94，7.92)时，量子态由节点A转移到节点B的转移过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，量子网络中用于量子态转移的两个量子节点A、B，节点A辐射出携带有量子信息的单量子波包后，单量子波包会通过波导转移到节点B，波包耦合进入节点B后激发节点B中的量子比特完成态转移。对于完全相同的两个节点A和B，且没有任何随时间变化外加控制的情况下，量子态转移的效率取决于辐射出的单量子波包的时间反演对称性，对称性越好，转移效率越高，完全反演对称的波包对应于100％的量子态转移效率。

为了产生时间域上反演对称的单量子波包，提出如图2所示的复合量子节点：静态量子比特与耦合谐振腔系统耦合，耦合谐振腔系统再与波导耦合。耦合谐振腔系统中谐振腔的数量、联接方式会直接影响所输出单量子波包的时域反演对称性，整个耦合系统中各元件之间的耦合强度也共同决定了输出波包的时间域上的反演对称性。通过合理设计和优化谐振腔联接的几何拓扑结构以及它们之间的耦合系数可以实现节点对波导输出时域反演对称的单量子波包，从而实现高效的量子态转移。

如图2所示的复合量子节点，在光学系统中，静态量子比特一般是固态单量子辐射体，谐振腔系统可以是微环谐振腔、法布里波罗腔、光子晶体腔，波导可以是介质波导、光子晶体波导等；在微波超导电路系统中，静态量子比特一般是约瑟夫结，谐振腔系统由L-C电路组成，波导为传输线；在声波系统中，谐振腔系统为机械的谐振腔系统，波导为机械波导。

基于图2的一种优化的级联谐振腔联接方式设计，如图3所示，将谐振腔排成链式结构，首端的谐振腔和静态量子比特耦合，末端的谐振腔和波导相联。该结构采用了最简单有效的几何拓扑联接方式，通过优化静态量子比特、谐振腔和波导之间的耦合系数能够行之有效地将指数衰减的波包转化为接近100％时间域上反演对称的波包，从而可被用于两相同节点之间的高效量子态转移。

如图4所示的一种具体的适合片上集成的链式级联量子节点。其结构是：三个耦合的微环谐振腔排成链式结构，静态量子比特与第一个微环谐振腔耦合，末端的微环谐振腔和波导耦合。决定该节点输出波包时间域上反演对称性的因素有：静态量子比特与第一个微环谐振腔的耦合强度g，三个级联微环谐振腔之间的耦合强度J₁₂、J₂₃，第三个微环谐振腔与波导的耦合强度κ。

一种改变图4所示节点中各个耦合强度的方法。可以设计微环谐振腔的结构、几何尺寸(如横截面形状、大小，半径等)、单量子辐射体的偏振及其相对于微环谐振腔的位置来改变耦合强度g的大小，其变化范围可以从0到GHz量级。为了改变微环谐振腔之间的耦合强度J₁₂，J₂₃以及微环谐振腔与直波导的耦合强度κ，可以设计微环谐振腔的结构、几何尺寸(如横截面形状、大小，半径等)以及微环谐振腔之间的距离、微环谐振腔和波导的距离，耦合强度κ、J₁₂和J₂₃可以从0到THz量级。

利用对称性因子β来定量描述单光子波包e(t)的时间域上的反演对称性，其定义如下

其物理意义是，单光子波包e(t)关于时间点t₀翻折以后变成e(2t₀-t)，β表示翻折以后的波包与原波包的重叠积分的最大值。β取值介于0和1之间，越对称的波包β值越接近于1。图5展示了基于图4结构的量子节点在不同耦合参数条件下所产生波包的β因子分布示意图。以二能级量子比特与第一个微环谐振腔模式耦合的强度g为参考，选取考察一定范围的相对耦合参数(J₁₂，J₂₃，κ)/g。图5中(a)图显示了参数空间范围内β因子分布，在一个较大的三维参数空间范围内β大于97％，在一个更大的参数空间内β大于90％。对图5(a)局部放大的图5(b)显示在一个局部封闭空间范围内，β大于99％。

图6给出了节点A到节点B的完整量子态转移过程。图中|c₀|²是节点中静态量子比特处于激发态的概率，|c₁|²、|c₂|²、|c₃|²分别是第一、二、三个谐振腔被激发的概率。|e(t)|²是节点A输出的单光子波包实时的概率分布。

假设节点A的静态量子比特初始时刻处于100％激发态，根据图5选定最优耦合参数组合为(J₁₂，J₂₃，κ)/g＝(1.88，2.94，7.92)，节点A中静态量子比特由于与微环谐振腔-波导系统耦合，处于激发态的概率逐渐降低直至最终处于基态，三个微环谐振腔内的谐振模式相继被激发，最终又由于与波导的耦合腔内光子存在的概率衰减为0。节点A最终在波导内产生一个时间域上非常对称的波包，其对称性因子β＝0.993。该单光子波包通过波导传输进入节点B，陆续激发节点B内的三个谐振腔模式以及静态量子比特，节点B中静态量子比特处于激发态的概率(|c₀(t)|²)最高达到了99.3％，即由节点A到节点B的量子态转移的成功率F＝99.3％。

图4所设计的复合量子节点采用了链式结构，并且只采用了三个微环谐振腔，其最优转移效率可以达到99.3％。采用0、1、2个微环谐振腔时，最优转移效率分别为54％、90％、97％。如果在链式结构中采用更多的微环谐振腔，由于有更多的自由度可以控制，量子态转移效率可以越来越接近100％。具体实施该节点时，综合考虑损耗等非理想因素的影响以及加工复杂程度，应使用适当数量微环谐振腔以达到实验条件允许的最好结果。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，静态量子比特与谐振腔系统耦合，谐振腔系统与波导耦合，所述静态量子比特能够吸收波包，跃迁到高能级。

2.根据权利要求1所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述谐振腔系统包括的数量为1个、2个或2个以上的谐振腔。

3.根据权利要求2所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述谐振腔系统包括的数量为2个或2个以上，相邻的谐振腔之间相互耦合，产生能量与信息的交换。

4.根据权利要求3所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述耦合谐振腔首尾相联排成链式结构，静态量子比特与首端的谐振腔相联耦合，末端的谐振腔与波导相联耦合。

5.根据权利要求4所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述谐振腔为微环谐振腔。

6.根据权利要求5所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，三个相同所述微环谐振腔首尾相联排成链式结构，第一个微环谐振腔和静态量子比特耦合，第三个微环谐振腔和波导靠近耦合。

7.根据权利要求5所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述波导支持单量子波包在空间上转移而在时间域上的波形不发生色散畸变，并且作为节点的输入输出通道。

8.根据权利要求7所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述微环谐振腔由一种介质波导弯曲成环形构成，将光子局域在很小的空间范围内，通过调节间距实现与二能级系统及相互之间从弱耦合到强耦合的耦合强度。

9.根据权利要求8所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述波导采用介质波导。

10.根据权利要求1所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述静态量子比特、谐振腔、波导为光学、微波超导电路或声波机械器件，或者三者的混合搭配。

11.根据权利要求1至10之一所述的能产生反演对称波包的复合量子节点，其特征在于，所述复合量子节点为片上集成量子节点。

12.一种基于所述能产生反演对称波包的复合量子节点的确定性量子态转移方法，其特征在于，一个所述复合量子节点作为发送端，静态量子比特通过谐振腔系统间接接入到量子网络，发送端无需外加任何随时间变化的控制，就在波导中产生时域反演对称的单量子信号波包；作为接收端的所述复合量子节点完全吸收波包，实现高效确定性量子态转移。