CN110569978A - 量子滑梯及与非逻辑算法器件及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种量子滑梯及与非逻辑算法器件及其实现方法，包括：一个量子滑梯、一根干路跑道和控制结构组成结构层，每个量子滑梯的末端与干路跑道相连，该控制结构为至少一层二叉树结构，每个二叉树结构的末端选择性具有格点以表示输入值。本发明利用在光子芯片内制备并集成的波导阵列完成高斯波包的确定性产生及与非逻辑算法功能的实现，本发明量子滑梯结构可以在耦合链中确定性地产生传播的高斯波包。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种量子器件领域的技术，具体是一种量子滑梯及与非逻辑算法器件及其实现方法。
背景技术
与非逻辑树(NAND tree)是一种能够进行通用计算的结构，能够实现与非逻辑算法，其结构包括跑道(runway)和树结构，其中跑道为一排均匀的排列的格点阵列，树结构为二叉树结构，分为“根”、“枝”以及“叶”，树结构的“根”和跑道中部格点(在本说明中定义为C点)相连。由“叶”确定“枝”中第一层格点代表的值(即逻辑输入值)，有叶则值为1，否则为0。根据二叉树结构，下一层每个格点的值由上一层相连的两个格点的值做与非操作得到，由此直到根部格点得到整个树的逻辑结果。相邻层间格点的连接中可以增加格点，每增加一个格点则相当于对上一层相连格点的值做一次非操作。NAND tree中的树结构决定逻辑值结果，当逻辑结果为1时，由跑道首端传入的高斯波包可以通过C点传到末端，否则不能。
对于量子计算而言，量子算法依赖于大量的微型的稳定可靠的基本单元，其中稳定的光子集成芯片是开发量子算法的一种可靠的平台。
发明内容
本发明针对现有技术的空白，提出一种量子滑梯及与非逻辑算法器件及其实现方法，利用在光子芯片内制备并集成的波导阵列完成高斯波包的确定性产生及与非逻辑算法功能的实现，本发明量子滑梯结构可以在波导链中确定性地产生传播的高斯波包。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种包含量子滑梯的与非逻辑算法器件，包括：一个量子滑梯、一根干路跑道(runway)和控制结构组成结构层，每个量子滑梯的末端与干路跑道相连，该控制结构为至少一层二叉树结构，每个二叉树结构的末端选择性具有格点以表示输入值。
所述的输入值是指：依顺序根据二叉树结构的末端选择性有无叶格点所确定的逻辑输入，有格点则为1，否则为0；仅当逻辑结果，即根据与非逻辑算法得到的根部格点值为1时，高斯波包能够到达干路跑道的末端。
所述的输入值为2N比特，其中：N为二叉树的层数。
所述的到达干路跑道的末端，采用但不限于检测干路跑道后半部分，即与量子滑梯相连的格点(C点)至跑道末端部分分布总光强大于干路跑道前半部分与控制树结构的分布总光强。
所述的量子滑梯通过一排相邻波导间耦合系数经过特别调控的波导链实现，优选包括：20根波导组成的波导链，其中第i和i+1根波导之间耦合系数为其中：a和M均为调控参数。
所述的器件优选位于衬底上，该衬底采用但不限于透明玻璃，进一步优选为硼硅酸盐玻璃或熔融石英玻璃。
本发明涉及上述具有量子滑梯及与非逻辑算法器件的实现方法，包括：通过飞秒激光直写技术在衬底材料中加工出具有与非门逻辑算法功能的波导阵列，然后利用量子滑梯生成高斯波包并通过树状结构层干路跑道进行传输，进而实现由树状结构确定的逻辑运算功能。
所述的飞秒激光直写技术完成波导阵列的加工方法，通过上下调整飞秒激光的束腰位置实现竖直方向的控制和/或调整衬底的水平位置，从而实现在芯片的不同位置刻写的同时从下往上在透衬底的不同深度加工设计的波导阵列。
所述的生成高斯波包，通过将光注入波导阵列的第一个格点得到。
所述的波导阵列的加工方法，优选为设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.55的透镜将飞秒激光聚焦在硼硅酸盐表面以下150～170μm处。
所述的直写激光功率优选为230mw，直写速度为15mm/s。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用飞秒激光直写技术，在衬底材料中实现了稳定的量子滑梯和NAND tree结构，进而实现了与非门逻辑算法，消除了光子NAND tree计算的障碍，同时该发明中的量子滑梯概念可应用至多个领域。
附图说明
图1为与非逻辑树示意图；图中省略号仅表示省略中间结构，连接方式不变；
图2为实施例二比特输入的波导阵列结构示意图；
图3为实施例四比特输入的波导阵列截面图；
图4为量子滑梯结果示意图；
图5为二比特输入NAND tree结果示意图；
图6为四比特输入NAND tree结果示意图；
图中：1 干路跑道、2 树根、3 树枝、4 树叶、5 树状结构层(2-4的集合)。
具体实施方式
如图1所示，为与非逻辑树范例：(a)波包输入(i)后，当逻辑结果为0时波包无法继续向前(ii)，当逻辑结果为1时波包则继续向前传播(iii)。
图1(b)为一层树状结构层、图1(c)为两层树状结构层以及图1(d)为N层树状结构层的NAND tree结构示意图。
如图2所示，为实施例中采用的二比特输入为[1 1]的波导阵列简图。
如图5所示，为二比特输入器件的结果，其中实线为SR，虚线为SL，当SR>SL时逻辑输出结果为1，否则结果为0。
如图3所示，为实施例中六种四比特输入的波导阵列截面图，相邻波导的间距为9μm～16μm。
本实施例涉及测试方法，具体为：由芯片前端将激光光束耦合进量子滑梯的第一个波导；调整精密光学平台的高度、水平位置和角度使光束垂直正入射到波导之中并使耦合进入波导的效率达到最大；在量子滑梯中，最初占据单根波导的光束扩散成占据多个波导的高斯波包并横向传输，进而高斯波包由量子滑梯转移至干路跑道，当逻辑结果为1时，高斯波包穿过C点传输到跑道末端，否则无法穿过C点。
本实施例中优选进一步使用CCD拍摄从芯片输出的光子分布图像，并从图像中提取数据进行光分布分析进而调整参数以优化器件结构，分析结果如图4、图5和图6所示；进一步通过加工不同树状结构层方式改变控制门的逻辑输入，重复以上过程，或通过修改加工参数，包括激光功率以及平台移动速度方式调整波导的参数以及传输长度，得到最优的结构。
所述的光分布分析是指：定义跑道中C点到首端之间所有格点以及树结构中所有格点的光强分布之和为SL，定义跑道中C点到末端之间所有格点的光强分布之和为SR，若SR>SL，则结果为1，否则为0。
所述的优化，以满足SR与SL的差值达到最大。
本实施例中的量子滑梯包含20格点，其中第i和i+1根波导之间耦合系数为其中a＝0.024，M＝40。
所述的波导，通过设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.55的透镜将飞秒激光聚焦在硼硅酸盐表面以下150～170μm处制备得到，直写激光功率优选为230mw，直写速度为15mm/s。
与现有技术相比，本发明基于飞秒激光直写技术，实现了量子滑梯构造并产生了高斯波包。结合量子滑梯以及NAND tree理论，我们首次在光子芯片中实现并集成了基于NAND tree的与非逻辑器件。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种量子滑梯，其特征在于，通过一排相邻格点间耦合系数经过特别调控的耦合链实现，包括：数个格点组成的耦合链，其中第i和i+1格点之间耦合系数为其中：a和M均为调控参数。
2.一种包含权利要求1所述量子滑梯的与非逻辑算法器件，其特征在于，包括：一个量子滑梯、一根干路跑道和控制结构组成结构层，每个量子滑梯的末端与干路跑道相连，该控制结构为至少一层二叉树结构，每个二叉树结构的末端选择性具有格点以表示输入值。
3.根据权利要求2所述的包含量子滑梯的与非逻辑算法器件，其特征是，所述的输入值是指：依顺序根据二叉树结构的末端选择性有无叶格点所确定的逻辑输入，有格点则为1，否则为0；仅当逻辑结果，即根据与非逻辑算法得到的根部格点值，为1时，高斯波包能够到达干路跑道的末端；
所述的输入值为2N比特，其中：N为二叉树的层数。
4.一种实现上述任一权利要求所述具有量子滑梯及与非逻辑算法器件的方法，其特征在于，包括：在衬底材料中加工出具有与非门逻辑算法功能的波导阵列，然后利用量子滑梯生成高斯波包并通过树状结构层干路跑道进行传输，进而实现由树状结构确定的逻辑运算功能。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的波导阵列，通过飞秒激光直写技术完成，通过上下调整飞秒激光的束腰位置实现竖直方向的控制和/或调整衬底的水平位置，从而实现在芯片的不同位置刻写的同时从下往上在透衬底的不同深度加工设计的波导阵列。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的生成高斯波包，通过将光注入量子滑梯的第一个格点获得。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的波导阵列的加工方法，为设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.55的透镜将飞秒激光聚焦在硼硅酸盐表面以下150～170μm处。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的直写激光功率优选为230mw，直写速度为15mm/s。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征是，使用CCD拍摄从芯片输出的光子分布图像，并从图像中提取数据进行光分布分析进而调整参数以优化器件结构；
所述的光分布分析是指：定义跑道中C点到首端之间所有格点以及树结构中所有格点的光强分布之和为SL，定义跑道中C点到末端之间所有格点的光强分布之和为SR，若SR>SL，则结果为1，否则为0。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的优化，以满足SR与SL的差值达到最大。
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