CN113935494A - 面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，包含服务器集成光学量子芯片和用户集成光学量子芯片。其中，服务器集成光学量子芯片包括：可配置纠缠多光子源，用于产生多个光子并根据波长分别输出到服务器线性光学网络和用户线性光学网络；服务器线性光学网络，用于对波分复用器输出的光子制备初态，进行幺正变换和线性组合，以及合束并对合束后的光子进行投影测量；用户集成光学量子芯片，通过量子隐形传态传输线性项系数，以对服务器集成光学量子芯片中幺正变换的每一项进行线性组合。服务器无法得知用户的具体计算任务，计算完成后通过经典信道将结果告知用户。采用本发明的技术方案，可以保护用户的计算隐私。

Description

面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统。
背景技术
量子计算是遵循量子力学规律通过调控量子信息单元即量子比特来进行计算的新型计算模式。量子计算是建立在量子力学基础上的新型计算模型，其利用量子的叠加、干涉以及纠缠特性进行计算，具有天然的并行性及超大的信息存储能力，从而具有经典计算不可比拟的巨大潜力，在诸如大数质因子分解、数据库搜索、化学分子模拟等众多应用领域具有巨大应用潜力。
线性光学系统是实现量子计算的主要物理途径之一。其主要优势包括：光子具有很长的相干时间，不容易受到外界环境干扰而退相干；光子容易实现高精度操控；光子多自由度可以用于编码高维量子。集成光学量子芯片采用集成光学技术将分立的线性光学元件以薄膜形式集成到单个半导体集成芯片上，与分立元件光学系统相比，不仅体积显著减小，而且整个系统由于高集成度而具有更好的稳定性及更好的可扩展性。集成光学量子芯片能够实现庞大光学平台上分立元件光学系统的小型化、集成化，被认为是实现大规模光学量子计算系统的最有效途径。
实现大规模通用量子计算机不仅具有非常高的技术难度，同时也需要昂贵的费用。量子计算机在近未来的主要使用方式很可能类似于目前超级计算机的使用方式：量子计算服务器部署在若干个计算中心，不同的客户通过一定的方式访问这些中心的量子计算资源，完成各自的计算任务，即基于用户—服务器模型的分布式量子计算体系。在这种分布式的用户—服务器量子计算模型中，用户所执行任务的安全性是需要考虑的重点问题。用户任务的安全性，不仅包括输入数据的安全性、输出结果的安全性，还包括用户算法本身的安全性。目前针对用户数据的量子保密方案已有较多研究，但是针对用户所使用算法的安全性研究还比较少。因此研究针对用户算法进行加密的计算机制，使得用户在服务器上完成计算任务，但同时使得用户所采用的算法对服务器以及任意第三方隐藏，从而实现算法安全的量子计算，这将在安全、保密等领域具有巨大应用潜力。
发明内容
本发明提供一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，用以解决分布式量子计算模型中的安全性问题，保护用户的计算隐私。
本发明提供一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，包含用户集成光学量子芯片和服务器集成光学量子芯片。用户和服务器通过高维量子信道相连后，用户可以将计算任务远程托管在量子服务器上实现复杂的量子计算，通过服务器运算的线性组合来完成，其中线性系数通过用户来配置，并且对服务器是隐藏的，服务器运算完成后通过经典信道将结果输出给用户，有利于保护用户的计算隐私及加密通信。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，包括：服务器集成光学量子芯片和用户集成光学量子芯片，其中，所述服务器集成光学量子芯片，包括：可配置纠缠多光子源：包括干涉调节网络，N个纠缠多光子源以及波分复用器，其中，N为自然数且N≥2，通过配置干涉调节网络中的第一移相器和第二移相器对输入到所述干涉调节网络的光束进行干涉调节并输出多路光，经纠缠多光子源产生路径纠缠的多个光子，记每个纠缠多光子源产生的纠缠光子的数量为P，所述波分复用器用于将所述可配置纠缠多光子源输出的所述多个光子根据波长分别输出到服务器线性光学网络和所述用户集成光学量子芯片中；所述服务器线性光学网络分为三部分：初态配置线性光学网络O，与所述波分复用器连接，根据所述波分复用器输出光子的波长形成对应的O1,O2...OP-1，用于对所述可配置纠缠多光子源输出的光子制备初态；幺正算符配置线性光学网络U，与所述初态配置线性光学网络O对应连接，用于获取线性项系数，进行幺正变换和线性组合，以及合束，记为U1 (i),U2 (i)...UP-1 (i)(i＝1,2,...N)；投影测量线性光学网络T，与所述幺正算符配置线性光学网络U对应连接，用于对合束后的光量子态进行投影测量，记为T1,T2...TP-1；所述用户集成光学量子芯片，包含系数配置线性光学网络C，与所述波分复用器连接，用于对所述波分复用器输出的光子的路径进行编码得到所述线性项系数，记为α1,α2...αN，并通过量子隐形传态传输所述线性项系数，以对所述幺正算符配置线性光学网络中幺正变换的每一项进行线性组合，最终可得量子态结果：
Figure BDA0003285465270000031
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述初态配置线性光学网络、幺正算符配置线性光学网络、投影测量线性光学网络以及系数配置线性光学网络均属于通用线性光学网络。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述可配置纠缠多光子源、初态配置线性光学网络、幺正算符配置线性光学网络、投影测量线性光学网络和系数配置线性光学网络均通过所述第一移相器和所述第二移相器实现路径编码。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述可配置纠缠多光子源的干涉调节网络包括log2N级马赫-曾德尔干涉仪，以“二叉树”的形式进行排布，即上一级马赫-曾德尔干涉仪的每一个输出端口连接下一级的一个马赫-曾德尔干涉仪的一个输入端口，最后一级马赫-曾德尔干涉仪的
Figure BDA0003285465270000041
个输出端口连接一个第二移相器和一个纠缠多光子源；其中，所述马赫-曾德尔干涉仪包括一个第一移相器，以及与所述第一移相器连接的两个多模干涉仪。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述第一移相器和第二移相器通过外置经典控制信号来对各路光进行调节，并使得到达所述纠缠多光子源前的各路光相位为零。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述可配置纠缠多光子源生成P种波长的光子，其中一种波长的光子被路由到所述用户集成光学量子芯片，另外P-1种波长的光子被分别对应路由到P-1组初态配置线性光学网络(每组N个)；其中，P为自然数且P≥2。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述初态配置线性光学网络可以包含一种多级链式结构。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述幺正算符配置线性光学网络可以为一种呈三角形分布的光网络结构。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述投影测量线性光学网络可以包含一种反向树状结构，和/或，所述用户集成光学量子芯片中的系数配置线性光学网络可以为一种简化的呈三角形分布的光网络结构。
根据本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，所述P-1组初态配置线性光学网络中的每组初态配置线性光学网络具有N个；对应的，所述幺正算符配置线性光学网络被分为P-1组，每组N个，所述投影测量线性光学网络的数量为P-1个；其中，每组幺正算符配置线性光学网络与一组初态配置线性光学网络和一个投影测量线性光学网络对应连接。
本发明实施例提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，通过在服务器集成光学量子芯片上设置可配置纠缠多光子源，生成路径纠缠的光子并发送到用户集成光学量子芯片和服务器线性光学网络，以生成线性项系数、初态制备、幺正变换、进行线性组合以及投影测量，实现量子计算过程。
本发明实施例提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，实现了用于量子计算的光学芯片的集成化，与分立元件光学系统相比，不仅体积显著减小，而且整个系统由于高集成度而具有更好的稳定性及更好的可扩展性。规模化集成光学量子芯片技术能够支撑基于幺正算符线性组合方案的可扩展实现，构造出完全可编程的分布式量子计算，实现基于光子的远程量子信息处理。
进一步地，本发明实施例中的面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，基于一种计算协议允许用户将自身的任务转换为量子服务器执行的量子运算的线性组合。这些组合的线性系数由用户来配置，幺正运算由服务器提供，通过高维量子信道连接用户和服务器。
本发明实施例中的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统为保护用户计算的隐私提供了一种可靠的实行方案，其可以提高量子计算的安全性，避免了服务器窃取用户信息的问题，有利于保护用户的计算隐私及加密通信。这种隐私保护对于任何用户—服务器模型都至关重要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统示意图之一；
图2是本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统示意图之二；
图3是本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统中的量子计算过程的流程示意图；
图4是本发明提供的实现线性组合运算的线路示意图；
图5是本发明提供的用于初态配置的光网络结构示意图；
图6是本发明提供的呈三角形分布的光网络结构示意图；
图7是本发明提供的用于光子合束的光网络结构示意图；
图8是本发明提供的用于投影测量的光网络结构示意图；
图9是本发明提供的双光子纠缠态2×4维的分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
如图1所示，本发明实施例中的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统包括：服务器集成光学量子芯片和用户集成光学量子芯片，服务器集成光学量子芯片和用户集成光学量子芯片通过高维量子信道相连接，用户制备线性项系数，且线性项系数对服务器是隐藏的，用户任务通过服务器运算的线性组合来完成，服务器提供幺正变换计算，服务器运算完成后通过经典信道将结果输出给用户，在整个计算过程中服务器无法得知用户具体任务。其中，服务器集成光学量子芯片包括：
可配置纠缠多光子源102：包括干涉调节网络，N个纠缠多光子源以及波分复用器，其中，N为自然数且N≥2。干涉调节网络用于对输入到干涉调节网络的光束进行干涉调节并输出多路光，经纠缠多光子源产生路径纠缠的多个光子，波分复用器用于将可配置纠缠多光子源输出的多个光子根据波长分别输出到服务器线性光学网络和用户集成光学量子芯片中；
服务器线性光学网络分为三部分：
初态配置线性光学网络(O)104，与所述波分复用器连接，根据所述波分复用器输出光子的波长形成对应的O1,O2...OP-1，用于对所述可配置纠缠多光子源输出的光子制备初态；
幺正算符配置线性光学网络(U)106，与所述初态配置线性光学网络O对应连接，用于获取线性项系数，进行幺正变换和线性组合，以及合束，记为U1 (i),U2 (i)...UP-1 (i)(i＝1,2,...N)；
投影测量线性光学网络(T)108，与所述幺正算符配置线性光学网络U对应连接，用于对合束后的光量子态进行投影测量，记为T1,T2...TP-1。
具体地，线性组合指的是将不同光学网络实现的幺正变换进行线性组合。投影测量是将一个系统希尔伯特空间上的一个代表可观测量的厄米算符进行谱分解出多个测量算符，这个测量算符实际上是厄米算符朝着对应本征值生成的本征子空间的投影。
用户集成光学量子芯片，包含系数配置线性光学网络(C)110，与所述波分复用器连接，用于对所述波分复用器输出的光子的路径进行编码得到所述线性项系数，记为α1,α2...αN，并通过量子隐形传态传输所述线性项系数，以对所述幺正算符配置线性光学网络中幺正变换的每一项进行线性组合，最终可得量子态结果：
Figure BDA0003285465270000081
Figure BDA0003285465270000082
采用该发明实施例的技术方案，可以将用户和服务器进行分布式布局，使得用户和服务器之间共享纠缠态，从而将计算远程托管在量子服务器上，而不必向该量子服务器透露精确的算法。用户任务通过服务器运算的线性组合来完成，其中线性项系数由用户来配置，且对服务器是隐藏的，服务器提供幺正变换计算。服务器运算完成后可以通过经典信道将结果输出给用户，整个量子计算过程中实现了对用户的计算隐私保护。
在本发明实施例中，量子服务器可以简称为服务器。
在本发明实施例中，服务器集成光学量子芯片上还可以设置有集成光源，用于产生光束并输出到干涉调节网络。服务器集成光学量子芯片上还可以集成有单光子探测器，用以对服务器线性光学网络输出的光子进行探测。其中，单光子探测器可以为雪崩光电二极管或者超导纳米线探测器。
基于集成光学的量子芯片技术，目前已经取得了较大的发展。该技术采用半导体微纳加工工艺将分立光学元件集成到单个芯片上，相较于分立光学元件具有体积小、稳定性高、可扩展性强等优势，是实现规模化光量子计算系统的有效途径。
集成光学量子芯片领域近年来发展迅速，实现集成光学量子计算所需要的重要组件都已经得到了实验验证，包括片上单光子源及纠缠光子源、片上高精度量子态操控、片上线性光学网络等。以这些基本单元或模块为基础，通过精心设计光学芯片结构，能够在单个芯片上实现对量子信息载体—光子的产生、操控以及测量，从而使得实现集成化、小型化、可扩展和可编程的量子计算装置成为可能。
规模化集成光学量子芯片技术能够支撑基于幺正算符线性组合方案的可扩展实现，构造出完全可编程的高维量子比特计算芯片，实现基于光子的多量子比特量子信息处理。同时，基于硅基光波导等集成光学量子芯片制造工艺可以与CMOS兼容，本发明实施例中的集成光学量子芯片能够进一步与传统的CMOS计算芯片融合，用于未来设计实现光电融合、混合架构的光量子信息处理芯片。
如图2所示，可配置纠缠多光子源的干涉调节网络包括log2N级马赫-曾德尔干涉仪，以“二叉树”的形式进行排布，即上一级马赫-曾德尔干涉仪的每一个输出端口连接下一级的一个马赫-曾德尔干涉仪的一个输入端口，最后一级马赫-曾德尔干涉仪的
Figure BDA0003285465270000091
个输出端口连接一个第二移相器和一个纠缠多光子源。
马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer)是一种干涉仪，可以用来控制从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。
一个马赫-曾德尔干涉仪包括一个移相器211，与移相器211连接的两个多模干涉仪212。如图2所示，移相器211为第一移相器，移相器213为第二移相器。
log2N级马赫-曾德尔干涉仪的第一级马赫-曾德尔干涉仪接收外部的输入光束221，log2N级马赫-曾德尔干涉仪根据该输入光束221形成N路光，并将N路光输出到纠缠多光子源214。
对应的，可配置纠缠多光子源102包含的纠缠多光子源的数目为N个。N个纠缠多光子源可以标记为S1,S2,…,SN。其中，每个纠缠多光子源与一个第二移相器连接。具体地，第一移相器和第二移相器通过外置经典控制信号来对各路光进行调节，并使得到达纠缠多光子源前的各路光相位为零。
如图2所示，服务器线性光学网络包括：
初态配置线性光学网络201，与所述波分复用器连接，根据所述波分复用器输出光子的波长形成对应的O1,O2...OP-1，用于对所述可配置纠缠多光子源输出的光子制备初态。
幺正算符配置线性光学网络202，与所述初态配置线性光学网络O对应连接，用于获取线性项系数，进行幺正变换和线性组合，以及合束，记为U1 (i),U2 (i)...UP-1 (i)(i＝1,2,...N)。
投影测量线性光学网络203，与所述幺正算符配置线性光学网络U对应连接，用于对合束后的光量子态进行投影测量，记为T1,T2...TP-1。
通过设置可配置纠缠多光子源中的移相器将干涉调节网络输出的各路光的相位调整为0且光束均匀，可以使得可配置纠缠多光子源产生的纠缠光子态的效率最高。其中，每个纠缠多光子源产生纠缠光子的概率均为
Figure BDA0003285465270000101
每个多光子源产生P个波长不同的光子。
光子经过波分复用器之后分别路由到用户集成光学量子芯片以及初态配置线性光学网络的入口处，初态配置线性光学网络的作用是制备初态。
由于每个多光子源产生P个波长不同的光子，波长相同的一种光子被路由到用户集成光学量子芯片或者同一组初态配置线性光学网络。因此，可以认为路由到用户集成光学量子芯片的光子具有相同的一种波长，而路由到初态配置线性光学网络的光子具有P-1种波长。这样，可以设置初态配置线性光学网络的数量为P-1组，P-1组初态配置线性光学网络可以标记为：O1，O2，…，OM，…，OP-1。其中，M和P均为自然数且1≤M≤P-1。每组初态配置线性光学网络均为N个，因此，初态配置线性光学网络的数量为(P-1)*N个。
对应地，幺正算符配置线性光学网络的数量为(P-1)*N个，其可以分为P-1组，每组包括N个幺正算符配置线性光学网络。其中，第一组幺正算符配置线性光学网络U1与第一组初态配置线性光学网络O1对应连接，第二组幺正算符配置线性光学网络U2与第二组初态配置线性光学网络O2对应连接，第P-1组幺正算符配置线性光学网络UP-1与第P-1组初态配置线性光学网络OP-1对应连接。
具体地，(P-1)*N个幺正算符配置线性光学网络可以被分别标记为U1 (1),U1 (2)…U1 (N),U2 (1),U2 (2)…U2 (N),…,UP-1 (1),UP-1 (2)…UP-1 (N)。
投影测量线性光学网络的数量为P-1个，每个投影测量线性光学网络对应一组O和U。P-1个投影测量线性光学网络可以标记为：T1,T2,…TM,…TP-1，其中，1≤M≤P-1，每个TM均有t个端口。
在相关技术中，在数学中，幺正变换是保留内积的变换，幺正变换之前的两个向量的内积等于其转换后的内积。幺正变换是使用幺正算符所做的变换，有对基矢的变换，有对算符的变换，可以认为，幺正变换是两个希尔伯特(Hilbert)空间之间的同构。
具体地，若要实现某种幺正矩阵VT——这里VT可以表示为VT＝αjUj,(j＝0,1,2…n-1)，其中，Uj是作用于d维目标(T)子空间的门，αj是复系数，满足
Figure BDA0003285465270000111
当受控Uj门可用时，我们可以概率方式实现VT。αj被编码为k量子比特控制(C)的初始态
Figure BDA0003285465270000112
Figure BDA0003285465270000113
其中n＝2k，j标记计算基，当最后在计算基中测量所有控制量子位为0时，线路成功。通过将目标量子比特的部分态移动到扩展的Hilbert空间中，控制量子比特可以更加简单地作用到单个量子比特酉中。在本发明实施例中，可以使用基于扩展计算Hilbert空间的技术来实现线性组合线路。
任何量子幺正运算在原理上都可以分解为基本运算的线性和。例如，利用Cartan的KAK分解，可以重写任意两个量子比特幺正运算，将其转换为四个线性项的线性组合，每个线性项为两个单量子比特门的张量积。此外，Cartan分解方法允许n个量子比特幺正运算被重新构造为n个单量子比特门的张量积的线性组合。为了实现量子操作的线性组合，需要为任意未知量子操作添加相干控制，该技术基于用于计算的逻辑希尔伯特空间扩展的门。
根据所需，光子经过波分复用器之后根据波长不同在初态配置线性光学网络的入口处生成对应的多光子路径纠缠态。波长相同的第M组光子|M>1|M>2…|M>N中的每个光子均被路由到初态配置线性光学网络OM产生初态。
波长相同的第M组光子被路由到幺正算符配置线性光学网络UM (1),UM (2),…,UM (N)完成幺正变换和线性组合，其中线性项的系数，记为α1,α2...αN，由用户集成光学量子芯片通过量子隐形传态提供，且光路被合束，合束后最终可得量子态结果：
Figure BDA0003285465270000121
Figure BDA0003285465270000122
投影测量线性光学网络203用于对合束后的光量子态进行投影测量。
其中，初态配置线性光学网络、幺正算符配置线性光学网络和投影测量线性光学网络均是多个可实现t维幺正变换的通用线性光学网络。
本发明实施例中，提供一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统。如图2所示，该芯片系统还包括：用户集成光学量子芯片。系数配置线性光学网络C，与服务器集成光学量子芯片的波分复用器连接，用于接收波分复用器根据波长分别输出的光子，并对光子进行处理后将线性项系数通过量子隐形传态传输到服务器。服务器线性光学网络对波分复用器输出的光子制备初态，并根据用户线性光学网络通过量子隐形传态传输的线性项系数作用在幺正算符线性组合的每一项，将线性组合后的光子合束并进行投影测量。因此，用户任务是通过服务器运算的线性组合方式来完成的。
其中，线性项系数由用户线性光学网络对波分复用器输出的光子的路径进行编码得到，光子为服务器的可配置纠缠多光子源产生的路径纠缠的多个光子，多路光由可配置纠缠多光子源根据服务器的干涉调节网络对输入到干涉调节网络的光束进行干涉调节得到并输出。
本发明实施例通过服务器端的集成光学量子芯片和用户端的集成光学量子芯片构成了一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，通过使用集成光波导技术，用户可以将计算任务远程托管在量子服务器上实现复杂的量子计算，而不必向该量子服务器透露具体的算法。
如图3所示，在本发明实施例中，用户提供算法和输入态，服务器提供算子。这里，算法可以为
Figure BDA0003285465270000131
输入态可以为|ψ>，算子可以为U(i)。将算法、输入态和算子输入如图4所示的线性组合线路进行处理，可以得到目标，其中，|ψ>编码在n*d维量子空间中第一个d维子空间，X(1,j)表示|ψ>第一个子空间和第j个子空间对应基元素的交换操作，这些操作由用户中的量子位控制。如图3所示，结果可以为
Figure BDA0003285465270000132
在本发明实施例中，服务器初态配置线性光学网络可以为如图5所示的多级链式结构。幺正算符配置线性光学网络包含如图6所示的呈三角型分布的光网络结构，包含如图7所示的合束光网络。投影测量线性光学网络可以为如图8所示的一种反向的树状结构。
在本发明实施例中，用户集成光学量子芯片中的系数配置线性光学网络可以为一种简化的呈三角形分布的光网络结构
本发明实施例中的集成光学芯片系统是一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其基于一种计算协议能够允许用户将自身的任务转换为量子服务器执行的量子运算的线性组合。这些组合的线性系数由用户来配置，幺正运算由服务器提供，通过高维量子信道连接用户和服务器。
本发明实施例中的集成光学量子芯片是采用集成光学技术将分立的线性光学元件以薄膜形式集成到单个半导体集成芯片上，与分立元件光学系统相比，不仅体积显著减小，而且整个系统由于高集成度而具有更好的稳定性及更好的可扩展性。
集成光学量子芯片所需要的重要组件都已经分别得到了实验实现，如片上单光子源及纠缠光子源、片上波分复用器、片上通用线性光学网络实现等。基于这些集成芯片组件，用片上集成的光子源来产生纠缠光子，用片上集成的马赫-曾德尔干涉仪及相位控制器组成的线性光学网络来控制光子的行为，再通过片上集成的单光子探测器来进行光子的探测，就可以设计出规模化的集成光学量子芯片，用于实现复杂的量子信息处理应用。
本发明实施例的集成光学量子芯片基于路径编码的幺正算符线性组合方案，纠缠光子分别作用在服务器和用户之间，为保护用户计算的隐私提供了一种可靠的实行方案。同时，幺正算符线性组合方法能够实现量子计算中硬件实现模块与量子算法的分离，从而构建出一种用户—服务器模式的分布式量子计算模式，可以提高量子计算的安全性，避免了服务器窃取用户信息的问题，有利于保护用户的计算隐私及加密通信。这种隐私保护对于任何用户—服务器模型都至关重要。
本发明使用集成光波导技术，相较于分立光学元件，集成光波导技术提高了量子光学系统的稳定性。
在本发明实施例中，通过集成光学量子芯片途径，将片上路径纠缠多光子源和通用的线性光学网络配合使用，建立分布式集成光学芯片系统，包括服务器端的集成光学量子芯片和用户端的集成光学量子芯片。具体地，在本发明实施例中，通过片上路径纠缠多光子源产生不同的多光子多路径纠缠态，实现对用户—服务器光量子调控；通过片上通用线性光学网络配置不同光学幺正变换，根据需求实现不同的计算任务；通过进行输出测量，得到分布式安全量子信息处理结果，完成通用量子信息计算。
如图9所示的是一种双光子纠缠态2×4维的分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统示意图。该集成光学量子芯片由服务器模块901和用户模块902两个模块组成。服务器和用户模块通过多维量子态进行传输。通过调节纠缠多光子源前的马赫-曾德尔干涉仪，可以使各路光的相位为0。服务器模块将纠缠多光子源产生的信号光子和闲频光子使用波分复用器进行分离，并结合光子的后产生选择技术可以在集成光学量子芯片上产生路径纠缠的光子对。用户在接收光子后通过对路径进行编码，配置线性组合中每一项的系数，服务器模块实现幺正运算的线性组合。芯片中所有移相器均可以通过外置经典控制信号来对各路光进行调节，从而实现对集成光学量子芯片的可编程。
如图9所示，单光子经过纠缠光子源产生信号光子和闲频光子，记产生的量子比特状态分别为|α>a，|β>b，|α>c，|β〉d，通过马赫-曾德尔干涉仪调好相位后，得到最大纠缠态
Figure BDA0003285465270000151
对服务器模块的两路进行扩维，此处扩为4维。线性光学网络的幺正变换U(1)和U(2)作用在|α>c和|β〉d上，实际中，|α>c和|β〉d可以用定义的一组基|0>＝[1 0 0 0]T,|1>＝[0 1 0 0]T,|2>＝[0 0 1 0]T,|3>＝[0 0 0 1]T来表示。经过通用光网络幺正变换U(1)和U(2)的作用后态为
Figure BDA0003285465270000161
Figure BDA0003285465270000162
最后的结果是用户要求服务器进行相应操作完成计算4维的量子态，得到4维量子比特
Figure BDA0003285465270000163
Figure BDA0003285465270000164
Figure BDA0003285465270000165
其中|0>是由线性光学网络O提供，幺正变换U(1)和U(2)由服务器提供，线性项系数α和β由用户提供，并且对服务器是隐藏的。
本发明提供的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，通过在集成光学芯片上设置可配置纠缠多光子源，以生成路径纠缠的光子并发送到用户和服务器线性光学网络，生成线性项系数和进行幺正算符线性组合以及投影测量，基于分布式集成化的光芯片实现量子计算过程。
本发明实施例中的面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统是采用集成光学技术将分立的线性光学元件以薄膜形式集成到半导体集成芯片上，与分立元件光学系统相比，不仅体积显著减小，而且整个系统由于高集成度而具有更好的稳定性及更好的可扩展性。
进一步地，本发明实施例中的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其基于一种计算协议能够允许用户将自身的任务转换为量子服务器执行的量子运算的线性组合。这些组合的线性系数由用户来配置，幺正运算由服务器提供，通过高维量子信道连接用户和服务器。可见，本发明实施例的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统为保护用户计算的隐私提供了一种可靠的实行方案，其可以提高量子计算的安全性，避免了服务器窃取用户信息的问题，有利于保护用户的计算隐私及加密通信。这种隐私保护对于任何用户—服务器模型都至关重要。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，包括：服务器集成光学量子芯片和用户集成光学量子芯片，所述服务器集成光学量子芯片和所述用户集成光学量子芯片通过高维量子信道相连接，其中，所述服务器集成光学量子芯片，包括：
可配置纠缠多光子源：包括干涉调节网络，N个纠缠多光子源以及波分复用器，其中，N为自然数且N≥2，通过配置干涉调节网络中的第一移相器和第二移相器对输入到所述干涉调节网络的光束进行干涉调节并输出多路光，经纠缠多光子源产生路径纠缠的多个光子，记每个纠缠多光子源产生的纠缠光子的数量为P，所述波分复用器用于将所述可配置纠缠多光子源输出的所述多个光子根据波长分别输出到服务器线性光学网络和所述用户集成光学量子芯片中；
所述服务器线性光学网络分为三部分：
初态配置线性光学网络O，与所述波分复用器连接，根据所述波分复用器输出光子的波长形成对应的O1,O2...OP-1，用于对所述可配置纠缠多光子源输出的光子制备初态；
幺正算符配置线性光学网络U，与所述初态配置线性光学网络O对应连接，用于获取线性项系数，进行幺正变换和线性组合，以及合束，记为U1 (i),U2 (i)...UP-1 (i)(i＝1,2,...N)；
投影测量线性光学网络T，与所述幺正算符配置线性光学网络U对应连接，用于对合束后的光量子态进行投影测量，记为T1,T2...TP-1；
所述用户集成光学量子芯片，包含系数配置线性光学网络C，与所述波分复用器连接，用于对所述波分复用器输出的光子的路径进行编码得到所述线性项系数，记为α1,α2...αN，并通过量子隐形传态传输所述线性项系数，以对所述幺正算符配置线性光学网络中幺正变换的每一项进行线性组合，最终可得量子态结果：
Figure FDA0003285465260000011
Figure FDA0003285465260000012
2.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述初态配置线性光学网络、所述幺正算符配置线性光学网络、所述投影测量线性光学网络以及所述系数配置线性光学网络均属于通用线性光学网络。
3.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述可配置纠缠多光子源、初态配置线性光学网络、幺正算符配置线性光学网络、投影测量线性光学网络和系数配置线性光学网络均通过所述第一移相器和所述第二移相器实现路径编码。
4.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述可配置纠缠多光子源的干涉调节网络包括log2N级马赫-曾德尔干涉仪，以“二叉树”的形式进行排布，即上一级马赫-曾德尔干涉仪的每一个输出端口连接下一级的一个马赫-曾德尔干涉仪的一个输入端口，最后一级马赫-曾德尔干涉仪的
Figure FDA0003285465260000021
个输出端口连接一个第二移相器和一个纠缠多光子源；其中，所述马赫-曾德尔干涉仪包括一个第一移相器，以及与所述第一移相器连接的两个多模干涉仪。
5.根据权利要求4所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述第一移相器和第二移相器通过外置经典控制信号来对各路光进行调节，并使得到达所述纠缠多光子源前的各路光相位为零。
6.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述可配置纠缠多光子源生成P种波长的光子，其中一种波长的光子被路由到所述用户集成光学量子芯片，另外P-1种波长的光子被分别对应路由到P-1组初态配置线性光学网络(每组N个)；其中，P为自然数且P≥2。
7.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述初态配置线性光学网络可以包含一种多级链式结构。
8.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述幺正算符配置线性光学网络可以为一种呈三角形分布的光网络结构。
9.根据权利要求1所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述投影测量线性光学网络可以包含一种反向树状结构，和/或，所述用户集成光学量子芯片中的系数配置线性光学网络可以为一种简化的呈三角形分布的光网络结构。
10.根据权利要求6所述的一种面向分布式安全量子信息处理的集成光学芯片系统，其特征在于，所述P-1组初态配置线性光学网络中的每组初态配置线性光学网络具有N个；对应的，所述幺正算符配置线性光学网络被分为P-1组，每组N个，所述投影测量线性光学网络的数量为P-1个；其中，每组幺正算符配置线性光学网络与一组初态配置线性光学网络和一个投影测量线性光学网络对应连接。
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