CN112034659A - 一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及配置方法 - Google Patents

一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及配置方法 Download PDF

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Abstract

一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，所述光量子芯片基于波导光路的量子光源、量子光源的可配置分束网络、二维光栅阵列集成；量子光源由经典光处理部分、光参量转换部分和反向HOM干涉部分组成，得到两类双光子对；量子光源的可配置分束网络由多层级联Mach‑Zehnder干涉仪组成，将量子光源区域产生的两类双光子分散到多个不同的配对路径，形成Dicke态所需要的多个双光子项，取这个多个双光子项的高阶项即得到路径编码的多光子Dicke态；量子光源和其可配置分束网络中都包含相位调制器，控制量子光源中光子路径状态为分离或聚束或两种情况的任意比例相干叠加，实现多种不同的量子干涉输出结果，用于配置量子光源的波导分束网络的分束比例。

Description

一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及配置 方法
技术领域
本发明涉及量子信息技术、集成光学和非线性光学领域。用于高效制备多光子路径编码和偏振编码的Dicke态光量子芯片，尤其是一种多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片及制备或配置方法。
背景技术
纠缠是量子通信、量子计算等量子信息技术中的核心资源。所以如何制备多光子纠缠态，特别是可调控、高效、稳定、可扩展的纠缠光源一直是量子信息领域的研究难点和热点。其中Dicke态是一种量子位之间具有强关联性的、对光子损失具有高容忍度的量子态[1]，被用于构建量子通信网络、研究量子力学基础问题。产生多光子纠缠的方法通常包括非线性过程产生光子对和多光子相互作用逻辑门，非线性过程包括原子级联跃迁[2]、二阶非线性晶体中的光学参量下转换过程[3,4]、硅基[5,6]或光纤[7]中的四波混频过程等。多光子相互作用逻辑门[8,9]包括熔接操作和控制相位门等。已经有很多使用以上两种方法实现的体块光学实验被报道[5-10]。但是体块光路实现多光子态以及应用存在光路庞大复杂、相位不稳定、价格较为昂贵、不能动态切换多光子态等缺点。
由硅[5,6]、氮化硅[11]、铌酸锂[12]等为基质材料的光量子芯片是一种新兴的量子集成光学技术，它的出现克服了体块光学的以上缺点，能够在毫米到厘米尺寸的芯片上集成上千个光学元件，成为推动光量子信息走向实用的一个关键技术。所以光量子芯片是一个很好的产生多光子态的平台，可以将多光子纠缠态产生的复杂光路集成到芯片上，具有以下几个优势：(1)因为芯片上波导对场的约束能力，其非线性更强，所以多光子的产率得到很大提升；(2)因为芯片的波导光路集成特性，使得光路更加稳定、无相位涨落，产生的多光子态更加稳定；(3)芯片上的相位调制器可以调控光路的状态，实现对光路的动态编程和控制，所以，芯片产生的多光子态是可编程的，可切换成其他多光子态；(4)芯片上有路径、偏振、Time-bin等多种编码模式，可以进行动态切换，实现不同自由度编码的多光子态；(5)芯片式多光子源可以被批量制备、成本比体块光路要低很多。到目前为止，人们已经基于简单的硅基直波导加上片上器件实现了多光子频率梳[13]、偏振纠缠态[14]，以及基于硅基光量子芯片实现了8个全同光子[15]、4光子图态[16]。但是还没有人能够实现芯片上的Dicke态，更没有能够兼容不同编码方式、不同光子数规模的Dicke态的片上产生方案。
参考文献:
1.R.H.Dicke,PhysRev93,99–110(1954).
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14.J.Zeuner,A.N.Sharma,M.Tillmann,R.Heilmann,M.Grafe,A.Moqanaki,A.Szameit,andP.Walther,npjQuantumInf.4,13(2018).
15.S.Paesani,Y.Ding,R.Santagati,L.Chakhmakhchyan,C.Vigliar,K.Rottwitt,L.K.Oxenlowe,J.Wang,M.G.Thompson,andA.Laing,Nat.Phys.15,925–929(2019).
16.J.C.Adcock,C.Vigliar,R.Santagati,J.W.Silverstone,andM.G.Thompson,Nat.communications10,1–6(2019).
发明内容
本发明目的是，解决上面所提到的问题，提供一种用于高效制备路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片的方案并提供了制备或配置方法，利用集成光学技术来提升多光子实验的可扩展性、集成度、稳定性、多光子效率等。
本发明的技术方案是：用于实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，所述光量子芯片基于波导光路的量子光源、量子光源的可配置分束网络、二维光栅阵列集成；量子光源由经典光处理部分、光参量转换部分和反向HOM干涉部分构成的多模干涉仪组成，得到两类双光子对，一类是双光子分离态，另一类是双光子路径叠加态；量子光源的可配置分束网络由多层级联Mach-Zehnder干涉仪组成，将量子光源区域产生的双光子分散到多个不同的配对路径，形成构成Dicke态所需要的多个双光子项，取这个多个双光子项的高阶项即得到路径编码的多光子Dicke态；二维光栅阵列实现将路径编码信息转移到偏振自由度上并输出到自由空间或者光纤，得到光量子芯片外的偏振编码的多光子Dicke态；量子光源和其可配置分束网络中都包含相位调制器，相位调制器工作原理是在波导上方制作电极，通过干涉仪上内置的电光调制相移器来控制分束的目标路径及分束比例，即通过施加电场来改变波导中的折射率进而调制光子的相位，配置波导光路的干涉状态，控制量子光源中光子路径状态为分离或聚束或两种情况的任意比例相干叠加，实现多种不同的量子干涉输出结果，并用于配置量子光源的波导分束网络的分束比例。
所述实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片依次分为三个区域；区域I产生叠加的双光子源，泵浦光经由波导光路分束后，在直波导或微环谐振腔中发生自发参量过程即光源参量转换，产生双光子对，双光子对再通过分束器实现反向Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉得到叠加状态的双光子态；区域Ⅰ包含两个反向HOM干涉装置，产生了两类双光子态，一类是双光子分别输出到两个波导的分离态，另一类是输出到另外两根波导的分离态和聚束态的叠加形式，这两类态的比例以及后一类态的分离和聚束态的比例都可以通过区域I中的相位调制器进行调节。区域II是分束网络，将区域I出来的两类双光子态以一定比例分散到多个不同的配对路径中，形成路径编码的多光子Dicke态；区域III是将光子的路径信息转换到光子的偏振上，通过二维光栅阵列进行转换并输出到片外，每一组路径的上下路径分别进入二维光栅的两个入口，经二维光栅以相互正交的偏振模式合成一路后输出到片外，得到偏振编码的Dicke态
Figure BDA0002613585680000031
当m个光子在1模式(上路径)和(n-m)个光子在0模式(下路径)的通用Dicke态形式
Figure BDA0002613585680000032
时，区域I中的分离态的两个光子会分别进入区域II中的上路径1→(n-m)和下路径1→m的分束网络，构成m×(n-m)个|01>双光子项；区域I中输出叠加态的两根波导会接区域II中的上路径1→m和下路经1→(n-m)的分束网络，构成m×(n-m)个|10>双光子项、
Figure BDA0002613585680000033
个|11>双光子项、
Figure BDA0002613585680000034
个|00>双光子项；分束网络出口的路径两两一组，组成n个路径编码量子位即上路径1→(n-m)的分束网络和下路径1→(n-m)的分束网络的出口两两一组构成(n-m)个路径编码量子位，上路径1→m的分束网络和下路径1→m的分束网络的出口两两一组构成m个路径编码量子位；双光子经由区域II演化结束后实现了制备Dicke态
Figure BDA0002613585680000041
所需要的所有双光子项，取这些所有双光子的(n/2)阶项并且当在每个路径编码量子位上分别测到且仅测到一个光子，就得到了多光子路径编码的Dicke态
Figure BDA0002613585680000042
芯片的具体构造：由光纤(2)将两种频率的泵浦激光经过耦合光栅(3)输入波导(4)；然后经Mach-Zehnder干涉仪(5)和两个多模干涉仪(6、7)分别输入到4个波导上(8、9、10、11)；分别进入4个参量转换源(12、13、14、15)产生同频光子对；上方的两个同频光子对经过多模干涉仪(16)发生反向HOM干涉，由相移器(17)控制干涉结果为双光子分离态，两个光子分别输出到波导(20、21)；下方的两个同频光子对经过另一个多模干涉仪(18)发生反向HOM干涉，由相移器(19)控制干涉结果为双光子分离态和聚束态的叠加，输出到波导(22、23)；4个波导路径(20、21、22、23)的光子分别进入4个由级联Mach-Zehnder干涉仪构成的分束网络(24、25、26、27)中；当制备或配置通用Dicke态形式
Figure BDA0002613585680000045
时，最上方路径(20)等概率分束到路径u1、u2、u3、...、un-m共(n-m)个上路径中，第二路径(21)等概率分束到路径d1’、d2’、...、dm’等共m个下路经中，第三路径(22)等概率分束到u1’、u2’、...、um’等m个上路径中，最下方路径(23)等概率分束到路径d1、d2、...、dn-m等(n-m)个下路经中，Dicke态
Figure BDA0002613585680000046
下方两个分束网络(26、27)出来的每一路(u1’、u2’、...、um’、d1、d2、...、dn-m)分别设置了一个相移器(28)，用于补偿分束过程造成的相位差；路径两两配对(路径up与dp配对，p＝1，2，…，n-m，1’，2’,…，m’)组成n个路径编码量子位，进入二维光栅阵列(29)进行自由度转换并分别输出到自由空间或者光纤(30)。
在波导光路中产生量子光源，所述4个参量转换源(12、13、14、15)用微环谐振腔结构、旋绕波导或者周期极化结构实现，发生简并的自发四波参量过程或者简并的自发三波参量过程；用于高效制备多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片的基质材料包含所有可以加工成波导并能集成片上相位调制器的二阶和三阶非线性材料。
能够动态配置区域II中相位调制器状态来得到多种Dicke态；图1芯片中，通过调节区域II中四个分束网络(24、25、26、27)中的相位调制器从而实现不同规模的分束网络，n路径模式即最大n个光子的芯片结构能够切换成产生任意总光子数l的Dicke态：
Figure BDA0002613585680000043
对于半数光子处于|1>的
Figure BDA0002613585680000044
特殊Dicke态，简化为区域I只含有一个分离态的双光子源以及区域II的上下两个1→n分束网络构成。通过加深区域Ⅱ中的可配置分束网络的规模以及区域III的光栅阵列规模，同一款芯片能够制备任意光子数n的Dicke态
Figure BDA0002613585680000051
图2中的n路径模式方案即最大n个光子的芯片结构，通过调节区域II中两个分束网络(44、45)中的相位调制器，能够切换成产生任意总光子数l的Dicke态：
Figure BDA0002613585680000052
区域III中在二维光栅阵列之前含有对(n-m)个路径进行上下交换的波导交叉区，实现所有上路径(编码为1的路径)对应二维光栅的同一种偏振输出、所有下路经(编码为0的路径)对应二维光栅的另一种偏振输出。
区域II中分束网络的基本分束单元为Mach-Zehnder干涉仪，Mach-Zehnder干涉仪通过内置相位调制器的调节实现对光的直通、交叉、合束、分束等任意的幺正操作，最终实现对分束网络大小和连接关系的调整。
区域III是将光子的路径信息转换到光子的偏振上，通过二维光栅阵列进行转换并输出到片外，得到偏振编码的Dicke态
Figure BDA0002613585680000056
方便用于片外的量子通信应用。用于片上后续光量子计算的算法实现时，可以不使用二维光栅，直接级联后续操作进行量子信息处理。
本发明提供了一种片上制备形成Dicke态的新方法，具有光子数可扩展、兼容路径和偏振两种编码方式、稳定性高、易实现、可配置、效率高等特点。
本发明主要以二阶或三阶非线性材料为基质材料进行波导加工，集成包含干涉仪、相位调制器、二维光栅等片上元件，将输入的经典光转化为可配置、可扩展的多光子Dicke态，不同的量子态通过控制集成在芯片上的相位调制器完成。
本发明的关键之处是可配置的双光子源、可配置的分束网络、二维光栅。光源部分设置干涉仪，能够对产生的光子态进行每一项的系数调控。分束网络由多级Mach-Zehnder干涉仪构成，能够进行任意比例分束，产生不同光子数的Dicke态。通过重配置相位调制器来切换目标态，其中图1所示的芯片结构能够制备任意光子数的其中1个或2个光子处于|1>的Dicke态：
Figure BDA0002613585680000053
和
Figure BDA0002613585680000054
图2所示的芯片结构能够制备的为半数光子处于|1>的Dicke态
Figure BDA0002613585680000055
通过加深区域Ⅱ中的可配置分束网络以及增加后面的路径、光栅，能够扩展制备Dicke态到更高的光子数。二维光栅阵列能够根据需要设置或者不设置，对应于保留路径编码状态用于后续的片上量子信息处理，或转换到偏振编码态以用于长距离量子通信应用。
本发明的有益效果：(1)本发明方案可扩展，通过加深可配置分束网络以及增加后面的路径、光栅，能够扩展制备这两类量子态到更高的光子数而不需要改变量子光源部分的元件；(2)本方案可配置，对于已经制备成形的芯片，能够通过重新配置相移器来得到需要的多种Dicke态，包括1、2个和半数光子处于|1>的Dicke态：
Figure BDA0002613585680000061
(3)本方案易实现且高效，仅需固定的少量简并双光子源，简并光子源数目不随Dicke态光子数增加而增加，且双光子利用效率高即后选成功率高。本发明设计了一种用于高效制备路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，提供一种稳定的、高效的、可配置的、可扩展的产生多光子Dicke态的芯片方案。
附图说明
图1是本发明的用于制备1个或2个光子处于|1>的Dicke态的芯片结构示意图；
图2是本发明的用于制备半数光子处于|1>的Dicke态的芯片结构示意图；
图3是图1芯片用于制备
Figure BDA0002613585680000062
输出的芯片分束设置示意图(加后续操作转换为
Figure BDA0002613585680000063
)；
图4是图1用于制备
Figure BDA0002613585680000064
输出的芯片分束设置示意图(加后续操作转换为
Figure BDA0002613585680000065
)；
图5是图1用于制备
Figure BDA0002613585680000066
|GHZ4>输出的芯片分束设置示意图(加后续操作转换为
Figure BDA0002613585680000067
)；
图6是图2用于制备
Figure BDA0002613585680000068
输出的芯片分束设置示意图(加后续操作转换为
Figure BDA0002613585680000069
)。
具体实施方式
以下是芯片结构的详细说明。以硅基材料为例，设置了一种用于高效制备路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片。芯片分为量子光源、可配置分束网络和二维光栅阵列。区域I是量子光源，它又分为经典光处理部分、参量转换部分和反向HOM干涉部分组成。泵浦光(经典激光)在经典光处理部分进行分束和相位调制，然后在直波导或微环谐振腔中发生自发参量过程，产生双光子对，双光子对再通过分束器实现反向Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉得到叠加状态的双光子态。区域Ⅰ包含两个反向HOM干涉，产生了两类双光子态，一类是双光子分别输出到两个波导的分离态，另一类是输出到另外两根波导的分离态和聚束态的叠加形式，这两类态的比例以及后一类态的分离和聚束态的比例都可以通过区域I中的相位调制器进行调节；区域II是可配置分束网络，由级联的多层Mach-Zehnder干涉仪组成，每个Mach-Zehnder干涉仪的电光调制相移器能独立调节一路分两路的比例，整个网络能够通过各个Mach-Zehnder干涉仪中的电光调制相移器来调节分束的目标路径及比例。区域III将光子的路径信息转移到偏振上，用于片外的量子通信应用。
我们对图1中用于制备1个或2个光子处于|1>的Dicke态的芯片的各个单元进行标号。在硅基芯片上制备量子光源、分束网络和二维光栅阵列。硅基芯片通过一维光栅(3)与输入光纤(2)相连，通过二维光栅阵列(29)与输出光纤阵列(30)相连。光纤(2)将两种频率的泵浦激光(1)经过光栅(3)输入波导(4)；然后经Mach-Zehnder干涉仪(5)和两个多模干涉仪(6、7)分束到4个波导上(8、9、10、11)；分别进入4个参量转换源(12、13、14、15)产生同频光子对；上方两个波导(7、8)中的同频光子对经过多模干涉仪(16)发生反HOM干涉，由相移器(17)控制干涉的结果；下方两个波导中的同频光子对经过另一个多模干涉仪(18)发生反HOM干涉，由相移器(19)控制干涉结果；干涉后4个路径(20、21、22、23)的光子分别进入4个由级联Mach-Zehnder干涉仪构成的分束网络(24、25、26、27)中，最上方路径(20)的光子以一定概率分束到路径u1、u2、…、un-m上，第二路径(21)的光子以一定概率分束到路径d1’、d2’、…、dm’上，第三路径(22)的光子以一定概率分束到u1’、u2’、…、um’上，最下方路径(23)的光子以一定概率分束到路径d1、d2、…、dn-m上；下方两个分束网络(26、27)出来的每一路(u1’、u2’、…、um’、d1、d2、…、dn-m)分别设置了一个相移器(28)，用于补偿分束网络带来的双光子项之间的相位差；路径两两配对组成n个路径量子位(路径up与dp配对，p＝1，2，…，n-m，1’，2’,…，m’)，得到路径编码的Dicke态，而后进入二维光栅阵列(29)并分别输出到光纤(30)，转换为偏振编码的Dicke态。通过扩展最上方和最下方的分束网络(24，27)以及增加后续路径和二维光栅(29)来扩展Dicke态至更多的光子数。
图2是用于制备半数光子处于|1>的Dicke态的芯片结构示意图。与图1的结构类似，同样分为三个区域：量子光源、分束网络和二维光栅阵列。硅基芯片通过一维光栅(33)与输入光纤(32)相连，通过二维光栅阵列(45)与输出光纤阵列(46)相连。光纤(32)将两种频率的泵浦激光(31)经过光栅(33)输入波导(34)；然后经多模干涉仪(35)分束到2个波导上(36、37)；分别进入2个参量转换源(38、39)产生同频光子对；两个波导(36、37)中的光子对再经过多模干涉仪(41)发生反HOM干涉，由相移器(40)控制干涉的结果，使得干涉后2个路径(42、43)的两光子态为分离态；两路径(42，43)分别连接2个由级联Mach-Zehnder干涉仪构成的分束网络(44、45)中，上方路径(42)的光子以一定概率分束到路径u1、u2、…、un上，下方路径(43)的光子以一定概率分束到路径d1、d2、…、dm上，并在下方分束网络(45)的出口分别设置了一个相移器(46)，用于补偿分束网络带来的双光子项之间的相位差；路径两两配对组成n个路径量子位(路径up与dp配对，p＝1，2，…，n)，得到路径编码的Dicke态，而后进入二维光栅阵列(47)并分别输出到光纤(48)，转换为偏振编码的Dicke态。通过扩展两个分束网络(44，45)以及增加后续路径和二维光栅(47)来扩展Dicke态至更多的光子数。
可以通过额外操作直接从n光子纠缠态转换得到n-1光子的多光子态。对于n光子Dicke态
Figure BDA0002613585680000081
如果其中一个量子位用于预报，则其余的量子位将形成一个具有n-1个光子的Dicke态
Figure BDA0002613585680000082
对于n光子Dicke态
Figure BDA0002613585680000083
如果在检测到之前将一个量子位投影到|1>，则其余量子位是具有n-1个光子的Dicke态
Figure BDA0002613585680000084
并且如果在检测之前将一个量子位投影到|0>，则其余的量子位是Dicke态
Figure BDA0002613585680000085
实施例1：制备6光子Dicke态
Figure BDA0002613585680000086
图3中的芯片区域Ⅰ通过反向HOM干涉产生的路径的聚束和分离叠加态x|1,1,0,0>+y|0,0,1,1>+z(|0,0,2,0>+|0,0,0,2>)，能够通过调节Mach-Zehnder干涉仪上和四波混频区域路径上的电光调制相移器调整相对相位。区域Ⅱ将双光子叠加态分束到多个路径中：最上方路径(20)的光子等概率分束到路径u1、u2、u3、u4上，第二路径(21)的光子以一定概率分束到路径d1’、d2’上，第三路径(22)的光子以一定概率分束到u1’、u2’上，最下方路径(23)的光子以一定概率分束到路径d1、d2、d3、d4上。分束后的双光子态为：
Figure BDA0002613585680000087
Figure BDA0002613585680000088
Figure BDA0002613585680000089
Figure BDA00026135856800000810
其中|01>1'1表示两光子一个在d1’路径上，一个在u1路径上。其中下标对应的1’、2’、1、2、3、4每个量子位有且仅有一个光子的6光子态为：
Figure BDA00026135856800000811
Figure BDA00026135856800000812
配置x,y,z的值：
Figure BDA00026135856800000813
使得
Figure BDA00026135856800000814
Figure BDA00026135856800000815
此时的量子态为6光子Dicke态
Figure BDA00026135856800000816
最后经过区域Ⅲ中的二位光栅阵列将路径纠缠态转换为偏振纠缠态以便长距离量子通信的应用。若对其中一个量子位做投影到|0>，则剩下的量子位构成Dicke态
Figure BDA00026135856800000817
若对其中一个量子位做投影到|1>，则剩下的量子位构成Dicke态
Figure BDA00026135856800000818
实施例2：制备6光子Dicke态
Figure BDA00026135856800000819
图4中的芯片区域Ⅰ通过反向HOM干涉产生的路径的聚束和分离叠加态x|1,1,0,0>+y|0,0,1,1>+z(|0,0,2,0>+|0,0,0,2>)，能够通过调节Mach-Zehnder干涉仪上和四波混频区域路径上的电光调制相移器调整相对相位。区域Ⅱ将双光子叠加态分束到多个路径中：最上方路径(20)的光子等概率分束到路径u1、u2、u3、u4、u5上，第二路径(21)的光子以一定概率分束到路径d1’上，第三路径(22)的光子以一定概率分束到u1’上，最下方路径(23)的光子以一定概率分束到路径d1、d2、d3、d4、d5上。分束后的双光子态为：
Figure BDA0002613585680000091
Figure BDA0002613585680000092
Figure BDA0002613585680000093
Figure BDA0002613585680000094
其中下标对应的1’、1、2、3、4、5每个量子位有且仅有一个光子的6光子态为：
Figure BDA0002613585680000095
配置x,y,z的值：
Figure BDA0002613585680000096
使得
Figure BDA0002613585680000097
此时的量子态为6光子Dicke态
Figure BDA0002613585680000098
最后经过区域Ⅲ中的二位光栅阵列将路径纠缠态转换为偏振纠缠态以便长距离量子通信的应用。若用其中一个量子位做预报，则剩下的量子位构成Dicke态
Figure BDA0002613585680000099
实施例3：制备4光子Dicke态
Figure BDA00026135856800000910
和4光子GHZ态。图5中的芯片区域Ⅰ通过反向HOM干涉产生的路径的聚束和分离叠加态x|1,1,0,0>+y|0,0,1,1>+z(|0,0,2,0>+|0,0,0,2>)，能够通过调节Mach-Zehnder干涉仪上和四波混频区域路径上的电光调制相移器调整相对相位。区域Ⅱ将双光子叠加态分束到多个路径中：最上方路径(20)的光子等概率分束到路径u1、u2上，第二路径(21)的光子以一定概率分束到路径d1’、d2’上，第三路径(22)的光子以一定概率分束到u1’、u2’上，最下方路径(23)的光子以一定概率分束到路径d1、d2上。分束后的双光子态为：
Figure BDA00026135856800000911
Figure BDA00026135856800000912
Figure BDA00026135856800000913
其中下标对应的1’、2’、1、2每个量子位有且仅有一个光子的4光子态为：
Figure BDA00026135856800000914
配置x,y,z的值：
Figure BDA00026135856800000915
使得
Figure BDA00026135856800000916
此时的量子态为四光子Dicke态
Figure BDA00026135856800000917
配置x,y,z的值：
Figure BDA00026135856800000918
y＝0，
Figure BDA00026135856800000919
此时的量子态为四光子GHZ态:
Figure BDA00026135856800000920
最后经过区域Ⅲ中的二位光栅阵列将路径纠缠态转换为偏振纠缠态。若对其中一个量子位做投影到|0>，则剩下的量子位构成Dicke态
Figure BDA00026135856800000921
若对其中一个量子位做投影到|1>，则剩下的量子位构成Dicke态
Figure BDA0002613585680000101
扩展至n光子的Dicke态(n为偶数)所需设置的参数如下：
Figure BDA0002613585680000102
实施例4：制备6光子Dicke态
Figure BDA0002613585680000103
图6中的芯片区域Ⅰ通过反HOM干涉产生的路径分离态。区域Ⅱ将双光子态中的两个光子分别等概率分束到6个路径中(上方路径分束到u1、u2、u3、u4、u5、u6，下方路径分束到d1、d2、d3、d4、d5、d6)，分束后的双光子态为：|Ψ>＝[(|01>+|10>)12+(|01>+|10>)13+…+(|01>+|10>)56+(|01>11+|01>22+…+|01>66]3。其中下标对应的1、2、3、4、5、6六个量子位有且仅有一个光子的6光子态为：|Ψ>123456＝|000111>+|001011>+…+|111000>，即6光子Dicke态
Figure BDA0002613585680000104
最后经过区域Ⅲ中的二位光栅阵列将路径纠缠态转换为偏振纠缠态。

Claims (10)

1.一种实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片，其特征是，所述光量子芯片基于波导光路的量子光源、量子光源的可配置分束网络、二维光栅阵列集成；量子光源由经典光处理部分、光参量转换部分和反向HOM干涉部分组成，得到两类双光子对，一类是双光子分离态，另一类是双光子路径叠加态；量子光源的可配置分束网络由多层级联Mach-Zehnder干涉仪组成，将量子光源区域产生的两类双光子分散到多个不同的配对路径，形成Dicke态所需要的多个双光子项，取这个多个双光子项的高阶项即得到路径编码的多光子Dicke态；二维光栅阵列实现将路径编码信息转移到偏振自由度上并输出到自由空间或者光纤，得到光量子芯片外的偏振编码的多光子Dicke态；量子光源和其可配置分束网络中都包含相位调制器，相位调制器工作原理是在波导上方制作电极，通过干涉仪上内置的电光调制相移器来控制分束的目标路径及分束比例，即通过施加电场来改变波导中的折射率进而调制光子的相位，配置波导光路的干涉状态，控制量子光源中光子路径状态为分离或聚束或两种情况的任意比例相干叠加，实现多种不同的量子干涉输出结果，并用于配置量子光源的波导分束网络的分束比例。
2.根据权利要求1所述的的光量子芯片，其特征是，所述实现多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片依次分为三个区域；区域I产生叠加的双光子源，泵浦光经由波导光路分束后，在直波导或微环谐振腔中发生自发参量过程即光源参量转换，产生双光子对，双光子对再通过分束器实现反向Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉得到叠加状态的双光子态；区域Ⅰ包含两个反向HOM干涉装置，产生了两类双光子态，一类是双光子分别输出到两个波导的分离态，另一类是输出到另外两根波导的分离态和聚束态的叠加形式，这两类态的比例以及后一类态的分离和聚束态的比例都可以通过区域I中的相位调制器进行调节。区域II是分束网络，将区域I出来的两类双光子态以一定比例分散到多个不同的配对路径中，形成路径编码的多光子Dicke态；区域III是将光子的路径信息转换到光子的偏振上，通过二维光栅阵列进行转换并输出到片外，每一组路径的上下路径分别进入二维光栅的两个入口，经二维光栅以相互正交的偏振模式合成一路后输出到片外，得到偏振编码的Dicke态
Figure FDA0002613585670000011
3.根据权利要求2所述的的光量子芯片，其特征是，当m个光子在1模式(上路径)和(n-m)个光子在0模式(下路径)的通用Dicke态形式
Figure FDA0002613585670000012
时，区域I中的分离态的两个光子会分别进入区域II中的上路径1→(n-m)和下路径1→m的分束网络，构成m×(n-m)个|01>双光子项；区域I中输出叠加态的两根波导会接区域II中的上路径1→m和下路经1→(n-m)的分束网络，构成m×(n-m)个|10>双光子项、
Figure FDA0002613585670000013
个|11>双光子项、
Figure FDA0002613585670000014
个|00>双光子项；分束网络出口的路径两两一组，组成n个路径编码量子位即上路径1→(n-m)的分束网络和下路径1→(n-m)的分束网络的出口两两一组构成(n-m)个路径编码量子位，上路径1→m的分束网络和下路径1→m的分束网络的出口两两一组构成m个路径编码量子位；双光子经由区域II演化结束后实现了制备Dicke态
Figure FDA0002613585670000021
所需要的所有双光子项，取这些所有双光子的(n/2)阶项并且当在每个路径编码量子位上分别测到且仅测到一个光子，就得到了多光子路径编码的Dicke态
Figure FDA0002613585670000022
4.根据权利要求2或3所述的的光量子芯片，其特征是，芯片的具体构造：由光纤(2)将两种频率的泵浦激光经过耦合光栅(3)输入波导(4)；然后经Mach-Zehnder干涉仪(5)和两个多模干涉仪(6、7)分别输入到4个波导上(8、9、10、11)；分别进入4个参量转换源(12、13、14、15)产生同频光子对；上方的两个同频光子对经过多模干涉仪(16)发生反向HOM干涉，由相移器(17)控制干涉结果为双光子分离态，两个光子分别输出到波导(20、21)；下方的两个同频光子对经过另一个多模干涉仪(18)发生反向HOM干涉，由相移器(19)控制干涉结果为双光子分离态和聚束态的叠加，输出到波导(22、23)；4个波导路径(20、21、22、23)的光子分别进入4个由级联Mach-Zehnder干涉仪构成的分束网络(24、25、26、27)中；当制备或配置通用Dicke态形式
Figure FDA0002613585670000023
时，最上方路径(20)等概率分束到路径u1、u2、u3、...、un-m共(n-m)个上路径中，第二路径(21)等概率分束到路径d1’、d2’、...、dm’等共m个下路经中，第三路径(22)等概率分束到u1’、u2’、...、um’等m个上路径中，最下方路径(23)等概率分束到路径d1、d2、...、dn-m等(n-m)个下路经中，Dicke态
Figure FDA0002613585670000024
下方两个分束网络(26、27)出来的每一路(u1’、u2’、...、um’、d1、d2、...、dn-m)分别设置了一个相移器(28)，用于补偿分束过程造成的相位差；路径两两配对(路径up与dp配对，p＝1，2，…，n-m，1’，2’,…，m’)组成n个路径编码量子位，进入二维光栅阵列(29)进行自由度转换并分别输出到自由空间或者光纤(30)。
5.根据权利要求4所述的的光量子芯片，其特征是，在波导光路中产生量子光源，所述4个参量转换源(12、13、14、15)用微环谐振腔结构、旋绕波导或者周期极化结构实现，发生简并的自发四波参量过程或者简并的自发三波参量过程；用于高效制备多光子路径和偏振编码Dicke态的光量子芯片的基质材料包含所有可以加工成波导并能集成片上相位调制器的二阶和三阶非线性材料。
6.根据权利要求1-4之一所述的的光量子芯片，其特征是，能够动态配置区域II中相位调制器状态来得到多种Dicke态；图1芯片中，通过调节区域II中四个分束网络(24、25、26、27)中的相位调制器从而实现不同规模的分束网络，n路径模式即最大n个光子的芯片结构能够切换成产生任意总光子数l的Dicke态：
Figure FDA0002613585670000031
7.根据权利要求1-6之一所述的光量子芯片，其特征是，对于半数光子处于|1>的
Figure FDA0002613585670000032
特殊Dicke态，简化为区域I只含有一个分离态的双光子源以及区域II的上下两个1→n分束网络构成。通过加深区域Ⅱ中的可配置分束网络的规模以及区域III的光栅阵列规模，同一款芯片能够制备任意光子数n的Dicke态
Figure FDA0002613585670000033
图2中的n路径模式方案即最大n个光子的芯片结构，通过调节区域II中两个分束网络(44、45)中的相位调制器，能够切换成产生任意总光子数l的Dicke态：
Figure FDA0002613585670000034
8.根据权利要求1-7之一所述的光量子芯片，其特征是，区域III中在二维光栅阵列之前含有对(n-m)个路径进行上下交换的波导交叉区，实现所有上路径(编码为1的路径)对应二维光栅的同一种偏振输出、所有下路经(编码为0的路径)对应二维光栅的另一种偏振输出。
9.根据权利要求1-7之一所述的的光量子芯片，其特征是，区域II中分束网络的基本分束单元为Mach-Zehnder干涉仪，Mach-Zehnder干涉仪通过内置相位调制器的调节实现对光的直通、交叉、合束、分束等任意的幺正操作，最终实现对分束网络大小和连接关系的调整。
10.根据权利要求1-7之一所述的的光量子芯片，其特征是，区域III是将光子的路径信息转换到光子的偏振上，通过二维光栅阵列进行转换并输出到片外，得到偏振编码的Dicke态
Figure FDA0002613585670000035
方便用于片外的量子通信应用。用于片上后续光量子计算的算法实现时，可以不使用二维光栅，直接级联芯片上的后续操作进行量子信息处理。
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