CN116170141A - 一种量子纠缠w态的产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子纠缠W态的产生装置及产生方法，量子纠缠W态的产生装置包括若干个级联的纠缠态产生模块，每个纠缠态产生模块包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口。本申请中纠缠态的编码方式为横向波导模式编码，通过利用横向模式转换器、波导模式耦合器以及相位调节模块将外部输入的两个光子演化为两个比特的量子纠缠W态，两个比特的量子纠缠W态可以通过多个级联的纠缠态产生模块逐级扩展产生任意N比特的量子纠缠W态。横向波导模式易于与其它自由度如路径、偏振转换，同时也便于与采用波导模式编码的其他量子信息系统进行耦合交互。

Description

一种量子纠缠W态的产生装置及产生方法

技术领域

本申请属于量子信息技术领域，具体而言，涉及一种量子纠缠W态的产生装置及产生方法。

背景技术

量子纠缠是量子信息系统中的核心资源，对量子信息系统的性能具有至关重要的作用，被广泛应用于量子计算、量子精密测量及量子密码等细分领域。

量子纠缠态具有很多类型，包括有 Bell态、GHZ态、 W态等等。其中，量子纠缠态中的W态是多体纠缠态的一种，W态中的任意一个量子比特都与其他量子比特相互纠缠，所有的量子比特都是等价的，纠缠特性受比特丢失的影响很小，具有抗比特丢失能力和强纠缠特性，这些重要特性使得W态在量子信息处理中具有代表性和独特作用，在量子隐形传态、量子远程态制备、量子秘密共享、量子态分裂和超密集编码等均有应用。

量子纠缠态的制备一直是量子信息领域研究的关键问题之一。目前，许多利用线性光学元件和光子系统制备W态的方案已被提出，但目前主要的编码方式集中在偏振编码和相位编码等维度上。本申请提出一种新的量子纠缠态的制备装置和方法，通过采用横向波导模式编码方式产生量子纠缠W态，具有广阔的应用前景。

发明内容

基于上述内容，本申请提供一种量子纠缠W态的产生装置及产生方法，通过两个单光子光源逐级扩展并采用横向波导模式编码产生任意N比特的量子纠缠W态。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种量子纠缠W态的产生装置，包括若干个级联的纠缠态产生模块，每个所述纠缠态产生模块包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口；

所述输入上端口用于接收TE₀模光子或TE₁模光子，所述输入下端口用于接收TE₀模光子；所述第一横向模式转换器与所述输入下端口连接，用于将所述输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；所述波导模式耦合器包括入射上端、入射下端、出射上端和出射下端，用于对所述输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及对所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，所述入射上端与所述输入上端口连接，所述入射下端与所述第一横向模式转换器连接，所述出射上端与所述相位调节模块连接，所述出射下端与所述输出下端口连接；所述相位调节模块用于对所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p；所述输出上端口与所述相位调节模块连接，用于将所述相位调节模块输出的TE₀模光子或TE₁模光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

进一步地，所述输入上端口、所述输入下端口、所述第一横向模式转换器、所述波导模式耦合器、所述相位调节模块、所述输出上端口和所述输出下端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

进一步地，所述第一横向模式转换器包括第一主线直波导以及依次相连的第一传输直波导、第一弯曲光波导、第一耦合区光波导，所述第一耦合区光波导与所述第一主线直波导形成倏逝耦合区，所述第一主线直波导与所述波导模式耦合器的入射下端连接，所述输入下端口与所述第一传输直波导连接。

进一步地，所述相位调节模块由第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器组成；所述第二横向模式转换器用于将所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子转换为TE₀模光子，包括第二主线直波导以及依次相连的第二耦合区光波导、第二弯曲光波导、第二传输直波导，所述第二耦合区光波导与所述第二主线直波导形成倏逝耦合区，所述第二主线直波导与所述波导模式耦合器的出射上端连接；所述第三横向模式转换器用于将所述相位调制器输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子，包括第三主线直波导以及依次相连的第三传输直波导、第三弯曲光波导、第三耦合区光波导，所述第三耦合区光波导与所述第三主线直波导形成倏逝耦合区，所述第三主线直波导与所述输出上端口连接；所述第二主线直波导与所述第三主线直波导连通，所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子依次通过所述第二主线直波导和所述第三主线直波导输出至所述输出上端口；所述相位调制器的两端分别连接所述第二传输直波导和所述第三传输直波导，用于对通过所述第二横向模式转换器转换获取的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p。

进一步地，所述波导模式耦合器由4个弯曲波导和一个四端口定向耦合器组成，4个弯曲波导分别对应连接四端口定向耦合器的四个端口。

优选地，所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子的路径分配比为

，对所述输入上端口输入的TE₁模光子的路径分配比为

，对所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子的路径分配比为

，其中路径分配比为光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率/光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率。

优选地，所述相位调制器为热光相位调制器或电光相位调制器。

第二方面，本申请公开了一种量子纠缠W态的产生方法，所述方法应用于上述的量子纠缠W态的产生装置，所述量子纠缠W态的产生装置包括若干个级联的纠缠态产生模块，每个纠缠态产生模块包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口；所述方法包括：

所述输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，所述输入下端口接收TE₀模光子；

所述第一横向模式转换器将所述输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；

所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使输入至所述波导模式耦合器的光子从所述波导模式耦合器的出射上端或所述波导模式耦合器的出射下端输出；

从所述波导模式耦合器的出射下端输出的光子输入至所述输出下端口；

从所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子输入至所述相位调节模块，若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，所述相位调节模块对TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p，经过相位调制的TE₁模光子传输至所述输出上端口；若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，所述相位调节模块直接将TE₀模光子传输至所述输出上端口；

所述输出上端口将接收的光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

进一步地，当相位调节模块由第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器组成时，所述方法包括：

所述输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，所述输入下端口接收TE₀模光子；

所述第一横向模式转换器将所述输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；

所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使输入至所述波导模式耦合器的光子从所述波导模式耦合器的出射上端或所述波导模式耦合器的出射下端输出；

从所述波导模式耦合器的出射下端输出的光子输入至所述输出下端口；

从所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子输入至所述第二横向模式转换器，若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，所述第二横向模式转换器将TE₁模光子转换为TE₀模光子并输出至所述相位调制器，所述相位调制器对通过所述第二横向模式转换器转换获取的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，经过相位调制的TE₀模光子通过所述第三横向模式转换器转换为TE₁模光子，经过转换获取的TE₁模光子输出至所述输出上端口；若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，所述第二横向模式转换器将所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子直接传输至所述第三横向模式转换器，所述第三横向模式转换器接收TE₀模光子并传输给所述输出上端口；

所述输出上端口将接收的光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

优选地，所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子的路径分配比为

，对所述输入上端口输入的TE₁模光子的路径分配比为

，对所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子的路径分配比为

，其中路径分配比为光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率/光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率。

总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本申请提供了一种量子纠缠W态的产生装置及产生方法，量子纠缠W态的产生装置包括若干个级联的纠缠态产生模块，每个纠缠态产生模块包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口。本申请中纠缠态的编码方式为横向波导模式编码，通过利用横向模式转换器、波导模式耦合器以及相位调节模块将外部输入的两个光子演化为两个比特的量子纠缠W态，两个比特的量子纠缠W态可以通过多个级联的纠缠态产生模块逐级扩展产生任意N比特的量子纠缠W态。横向波导模式易于与其它自由度如路径、偏振、Time-bin转换，同时也便于与采用波导模式编码的其他量子信息系统进行耦合交互。纠缠态产生模块通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成，结构紧凑、易于编程调控、光路稳定性高。

附图说明

为更清楚地说明本实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的纠缠态产生模块的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种量子纠缠W态的产生装置的结构示意图；

图3为本申请另一实施例提供的一种量子纠缠W态的产生装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的第一横向模式转换器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的波导模式耦合器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的相位调节模块的结构示意图；

图7为基于图1、图4、图5和图6提供的纠缠态产生模块的结构示意图；

图8为基于图2和图7提供的一种量子纠缠W态的产生装置的结构示意图；

图9a为本申请实施例中输入上端口输入TE₀模光子时各光子的传输路径图；

图9b为本申请另一实施例中输入上端口输入TE₀模光子时各光子的传输路径图；

图10a为本申请实施例中输入上端口输入TE₁模光子时各光子的传输路径图；

图10b为本申请另一实施例中输入上端口输入TE₁模光子时各光子的传输路径图；

图11为基于图3和图7提供的一种量子纠缠W态的产生装置的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的一种量子纠缠W态的产生方法的流程图；

图13为本申请另一实施例提供的一种量子纠缠W态的产生方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为了便于理解和解释本申请实施例提供的技术方案，下面将先对本申请的背景技术进行说明。

量子纠缠是量子信息系统中的核心资源，对量子信息系统的性能具有至关重要的作用。量子纠缠态中的W态是多体纠缠态的一种，W态中的任意一个量子比特都与其他量子比特相互纠缠，所有的量子比特都是等价的，纠缠特性受比特丢失的影响很小，具有抗比特丢失能力和强纠缠特性，这些重要特性使得W态在量子信息处理中具有代表性和独特作用，在量子隐形传态、量子远程态制备、量子秘密共享、量子态分裂和超密集编码等均有应用。

目前，许多利用线性光学元件和光子系统制备量子纠缠W态，但编码方式主要集中在偏振编码和相位编码等维度上。而本申请通过采用横向波导模式编码方式产生量子纠缠W态，具有广阔的应用前景。

基于此，本申请提供一种量子纠缠W态的产生装置，包括若干个级联的纠缠态产生模块，纠缠态产生模块的结构如图1所示，包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口。

在本申请中，输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成，也即是纠缠态产生模块为片上结构，各元器件间布局紧凑、易于编程调控、光路稳定性高。

量子纠缠W态产生装置可以为单级纠缠态产生模块，也可以由多个纠缠态产生模块级联组成。

参见图1，输入上端口用于接收TE₀模光子或TE₁模光子，输入下端口用于接收TE₀模光子；第一横向模式转换器与输入下端口连接，用于将输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；波导模式耦合器包括入射上端、入射下端、出射上端和出射下端，用于对输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及对第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，入射上端与输入上端口连接，入射下端与第一横向模式转换器连接，出射上端与相位调节模块连接，出射下端与输出下端口连接；相位调节模块用于对波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p；输出上端口与相位调节模块连接，用于将相位调节模块输出的TE₀模光子或TE₁模光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

当量子纠缠W态的产生装置为单级纠缠态产生模块，也即是只包括一个纠缠态产生模块时，该纠缠态产生模块的输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，TE₀模光子或TE₁模光子由外部光源产生，由外部光源产生的TE₀模光子或TE₁模光子直接输入至纠缠态产生模块的输入上端口。当量子纠缠W态的产生装置由多个纠缠态产生模块级联组成，其级联结构分为两种类型。第一种类型为本级纠缠态产生模块的输出上端口与下一级纠缠态产生模块的输入上端口连接，如图2所示。第二种类型为本级纠缠态产生模块的输出下端口与下一级纠缠态产生模块的输入上端口连接，如图3所示。

具体地，当级联结构类型为第一种类型时，参见图2，第一级纠缠态产生模块的输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，第一级纠缠态产生模块接收的TE₀模光子或TE₁模光子由外部光源产生，经过第一级纠缠态产生模块产生两比特的纠缠W态，此纠缠W态中的一个比特位于第一级纠缠态产生模块的输出上端口，另一个比特位于第一级纠缠态产生模块的输出下端口，基于波导模式耦合器的路径分配功能可知，第一级纠缠态产生模块的输出上端口输出的一个比特纠缠W态为TE₀模光子或TE₁模光子，第二级纠缠态产生模块的输入上端口接收第一级纠缠态产生模块的输出上端口输出的一个比特纠缠W态光子；第三级纠缠态产生模块的输入上端口接收第二级纠缠态产生模块的输出上端口输出的一个比特纠缠W态光子，以此类推，第N级纠缠态产生模块的输入上端口接收第N-1级纠缠态产生模块的输出上端口输出的一个比特纠缠W态。

当级联结构类型为第二种类型时，参见图3，第二级纠缠态产生模块的输入上端口接收第一级纠缠态产生模块的输出下端口输出的一个比特纠缠W态光子；第三级纠缠态产生模块的输入上端口接收第二级纠缠态产生模块的输出下端口输出的一个比特纠缠W态光子，以此类推，第N级纠缠态产生模块的输入上端口接收第N-1级纠缠态产生模块的输出下端口输出的一个比特纠缠W态。

每一级的纠缠态产生模块的输入下端口只接收TE₀模光子，这里的TE₀模光子由外部光源产生，由外部光源产生的TE₀模光子直接输入至纠缠态产生模块的输入下端口。

在本申请中外部光源可以为片上单光子源也可以为片外单光子源，片上单光子源通常由螺旋波导线或微环谐振腔等能够发生片上四波混频过程的器件组成，采用片上单光子源可以提高芯片的集成度和稳定性，减小整个系统的体积，但是存在单光子发射效率低的缺点。当采用片外单光子源时，其产生的光子可以通过边缘耦合器或光栅耦合器输入至纠缠态产生模块。

第一横向模式转换器与输入下端口连接，将输入下端口接收的TE₀模光子（外部光源产生）转换为TE₁模光子。具体地，第一横向模式转换器包括第一主线直波导以及依次相连的第一传输直波导、第一弯曲光波导、第一耦合区光波导，结构如图4所示，第一耦合区光波导与第一主线直波导形成倏逝耦合区，通过设定倏逝耦合区的长度、间距以及第一耦合器光波导的宽度和第一主线直波导的宽度，达到模式转换的目的，第一主线直波导与波导模式耦合器的入射下端连接，输入下端口与第一传输直波导连接。输入下端口输入的TE₀模光子通过第一传输直波导和第一弯曲光波导输入至倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₀模光子转换为TE₁模光子，然后TE₁模光子通过第一主线直波导输入至波导模式耦合器。这里设置第一弯曲光波导是为了防止倏逝耦合区的光子散射出去影响耦合效率，提高模式转换效率。

波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及对第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配。具体地，波导模式耦合器由4个弯曲波导和一个四端口定向耦合器组成，如图5所示，4个弯曲波导分别对应连接四端口定向耦合器的四个端口，在四端口定向耦合器的四个端口分别设置弯曲波导是为了减少耦合串扰，防止四端口定向耦合器耦合区的光子散射出去影响光子的路径分配比。通过设定四端口定向耦合器的波导宽度、耦合长度、耦合间距，实现光子的不同路径分配比。

在本申请中，通过精确控制波导模式耦合器的耦合长度和耦合间距，实现波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₀模光子的路径分配比为

，对输入上端口输入的TE₁模光子的路径分配比为/>

，对第一横向模式转换器输出的TE₁模光子的路径分配比为/>

，其中路径分配比为光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率/光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率。

具体地，波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₀模光子进行路径分配，使输入上端口输入的TE₀模光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率为

，那么输入上端口输入的TE₀模光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率为/>

。波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₁模光子进行路径分配，使输入上端口输入的TE₁模光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率为/>

，那么输入上端口输入的TE₀模光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率为/>

。波导模式耦合器对第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使第一横向模式转换器输出的TE₁模光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率为/>

，那么第一横向模式转换器输出的TE₁模光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率为/>

。

相位调节模块对波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p。这里需要提醒的是相位调节模块对波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子不进行相位调制。

具体地，相位调节模块由第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器组成，如图6所示。第二横向模式转换器用于将波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子转换为TE₀模光子，包括第二主线直波导以及依次相连的第二耦合区光波导、第二弯曲光波导、第二传输直波导，第二耦合区光波导与第二主线直波导形成倏逝耦合区，第二主线直波导与波导模式耦合器的出射上端连接。

第三横向模式转换器用于将相位调制器输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子，包括第三主线直波导以及依次相连的第三传输直波导、第三弯曲光波导、第三耦合区光波导，第三耦合区光波导与第三主线直波导形成倏逝耦合区，第三主线直波导与输出上端口连接；第二主线直波导与第三主线直波导连通，波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子依次通过第二主线直波导和第三主线直波导输出至输出上端口；相位调制器的两端分别连接第二传输直波导和第三传输直波导，用于对通过第二横向模式转换器转换获取的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p。

具体的，当波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子时，TE₁模光子通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导传输至倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₁模光子转换为TE₀模光子，TE₀模光子再依次通过第二弯曲光波导、第二传输直波导输入至相位调制器，相位调制器对输入进来的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，也即是对TE₀模光子引入p的相位差，然后经过相位调制的TE₀模光子依次通过第三传输直波导、第三弯曲光波导传输进第三横向模式转换器的倏逝耦合区，经过相位调制的TE₀模光子转换为TE₁模光子，TE₁模光子输入至输出上端口。

当波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子时，此TE₀模光子依次通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导、第三横向模式转换器中的第三主线直波导传输至输出上端口。由上述过程可知，波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子并不经过相位调制器，因此并不对波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子进行相位调制。

在本申请中，相位调制器为热光相位调制器或电光相位调制器。

基于图1、图4、图5和图6，本申请实施例提供了一种纠缠态产生模块，结构如图7所示，包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、第二横向模式转换器、相位调制器、第三横向模式转换器、输出上端口和输出下端口。其中输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

基于图7，本申请实施例提供了一种量子纠缠W态的产生装置，量子纠缠W态的产生装置由多个纠缠态产生模块级联组成，结构如图8所示，本级纠缠态产生模块的输出上端口与下一级纠缠态产生模块的输入上端口连接。

参见图8，量子纠缠W态的产生装置由N个纠缠态产生模块级联组成，分别为第一级联纠缠态产生模块、第二级联纠缠态产生模块、第三级纠缠态产生模块……第N级纠缠态产生模块。第一级联纠缠态产生模块的输入上端口输入外部光源产生的TE₀模光子或TE₁模光子，第一级联纠缠态产生模块的输入下端口输入TE₀模光子，输入的两个模光子经过第一级联纠缠态产生模块产生两个比特的纠缠W态，此纠缠W态中的一个比特位于第一级纠缠态产生模块的输出上端口，另一个比特位于第一级纠缠态产生模块的输出下端口，第一级纠缠态产生模块的输出上端口输出的一个比特纠缠W态为TE₀模光子或TE₁模光子，同样地，第一级纠缠态产生模块的输出下端口输出的另一个比特纠缠W态为TE₀模光子或TE₁模光子。下面将结合图示具体说明光子的演化过程。

假设第一级联纠缠态产生模块的输入上端口输入外部光源产生的TE₀模光子，如图9a和图9b所示。在图9a和图9b中，为了便于展示光子的演化过程和传输路径，从输入上端口和输入下端口输入的光子分别采用不同填充元素的圆形表示，实心圆表示从输入上端口输入的光子及其光子演化，填充图案的圆表示从输入下端口输入的光子及其光子演化。

第一级联纠缠态产生模块的输入下端口输入TE₀模光子，输入下端口接收的TE₀模光子经过第一横向模式转换器转换为TE₁模光子。输入上端口的TE₀模光子从入射上端输入至波导模式耦合器，转换后获取的TE₁模光子从入射下端输入至波导模式耦合器，波导模式耦合器对TE₀模光子和TE₁模光子进行路径分配，这里TE₀模光子可能从波导模式耦合器出射上端输出，也可能从波导模式耦合器出射下端输出。同样地，TE₁模光子可能从波导模式耦合器出射上端输出，也可能从波导模式耦合器出射下端输出。当TE₀模光子和TE₁模光子均从出射上端输出或者均从出射下端输出时，均为无效传输，因为这两种情况的传输方式会在后选择过程被筛选舍弃，因此在本申请中不考虑这两种情况，所以当TE₀模光子从出射上端输出时，则TE₁模光子从出射下端输出,如图9a所示；当TE₀模光子从出射下端输出时，则TE₁模光子从出射上端输出，如图9b所示。

参考图9a，波导模式耦合器出射上端输出的TE₀模光子输入至第二横向模式转换器，TE₀模光子依次通过通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导、第三横向模式转换器中的第三主线直波导传输至输出上端口。TE₁模光子从出射下端输出至输出下端口。此时，输出上端口的TE₀模光子和输出下端口的TE₁模光子为两比特的纠缠W态。

参考图9b, TE₀模光子从出射下端输出至输出下端口。波导模式耦合器出射上端输出的TE₁模光子输入至第二横向模式转换器，TE₁模光子通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导传输至倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₁模光子转换为TE₀模光子，TE₀模光子再依次通过第二弯曲光波导、第二传输直波导输入至相位调制器，相位调制器对输入进来的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，也即是对TE₀模光子引入p的相位差，然后经过相位调制的TE₀模光子依次通过第三传输直波导、第三弯曲光波导传输进第三横向模式转换器的倏逝耦合区，经过相位调制的TE₀模光子转换为TE₁模光子，TE₁模光子输入至输出上端口。此时，输出上端口的TE₁模光子和输出下端口的TE₀模光子为两比特的纠缠W态。

假设第一级联纠缠态产生模块的输入上端口输入外部光源产生的TE₁模光子，如图10a和图10b所示。同样地，在图10a和图9b中，实心圆表示从输入上端口输入的光子及其光子演化，填充图案的圆表示从输入下端口输入的光子及其光子演化。第一级联纠缠态产生模块的输入下端口输入TE₀模光子，输入下端口接收的TE₀模光子经过第一横向模式转换器转换为TE₁模光子。输入上端口的TE₁模光子从入射上端输入至波导模式耦合器，第一横向模式转换器转换后获取的TE₁模光子从入射下端输入至波导模式耦合器，波导模式耦合器对入射上端输入的TE₁模光子和入射下端输入的TE₁模光子进行路径分配。同样地，入射上端输入的TE₁模光子和入射下端输入的TE₁模光子均从出射上端输出或者均从出射下端输出时，均为无效传输，这里也不考虑。所以当入射上端输入的TE₁模光子从出射上端输出时，则入射下端输入的TE₁模光子从出射下端输出,如图10a所示；当入射上端输入的TE₁模光子从出射下端输出时，则入射下端输入的TE₁模光子从出射上端输出，如图10b所示。

参考图10a，入射下端输入的TE₁模光子从出射下端输出至输出下端口。入射上端输入的TE₁模光子从出射上端输入至第二横向模式转换器，TE₁模光子通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导传输至倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₁模光子转换为TE₀模光子，TE₀模光子再依次通过第二弯曲光波导、第二传输直波导输入至相位调制器，相位调制器对输入进来的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，也即是对TE₀模光子引入p的相位差，然后经过相位调制的TE₀模光子依次通过第三传输直波导、第三弯曲光波导传输进第三横向模式转换器的倏逝耦合区，经过相位调制的TE₀模光子转换为TE₁模光子，TE₁模光子输入至输出上端口。此时，输出上端口的TE₁模光子和输出下端口的TE₁模光子为两比特的纠缠W态。

参考图10b，入射上端输入的TE₁模光子从出射下端输出至输出下端口。入射下端输入的TE₁模光子从出射上端输入至第二横向模式转换器，接下来TE₁模光子的演化过程和上述过程一致，这里不再进行赘述。此时，输出上端口的TE₁模光子和输出下端口的TE₁模光子为两比特的纠缠W态。

第二级纠缠态产生模块的输入上端口接收第一级纠缠态产生模块的输出上端口输出的一个比特纠缠W态光子。由上述光子的演化过程可知，一个比特纠缠W态光子为TE₀模光子或TE₁模光子。第二级纠缠态产生模块的输入下端口接收外部光源输入的TE₀模光子。在第二级纠缠态产生模块，一个比特纠缠W态光子和输入下端口输入的TE₀模光子继续进行量子演化，其过程和原理同第一级纠缠态产生模块一致，这里不再详细描述。经过第二级纠缠态产生模块后得到三个比特的纠缠W态，第一个比特位于第一级纠缠态产生模块的输出下端口，第二个比特位于第二级纠缠态产生模块的输出下端口，第三个比特位于第二级纠缠态产生模块的输出上端口。

以此类推，经过第N个纠缠态产生模块后得到N+1个比特的纠缠W态, 第一个比特位于第一级纠缠态产生模块的输出下端口，第二个比特位于第二级纠缠态产生模块的输出下端口，第三个比特位于第三级纠缠态产生模块的输出下端口，第N个比特位于第N级纠缠态产生模块的输出下端口，第N+1个比特位于第N级纠缠态产生模块的输出上端口。

基于图7，本申请实施例还提供了一种量子纠缠W态的产生装置，量子纠缠W态的产生装置由多个纠缠态产生模块级联组成，结构如图11所示，本级纠缠态产生模块的输出下端口与下一级纠缠态产生模块的输入上端口连接。此种级联方式与上述本级纠缠态产生模块的输出上端口与下一级纠缠态产生模块的输入上端口连接的级联方式原理和演化过程一致，这里不再详述。

为了使本申请更加清楚，下面将结合图9a、图9b、图10a和图10b对量子纠缠W态的产生装置的工作原理进行详细的说明。

当输入上端口接收TE₀模光子，输入下端口接收TE₀模光子时，参见图9a和图9b，为了方便表示，将TE₀模光子记为a模光子，TE₁模光子记为b模光子，此时输入至波导模式转换器的量子态写为：

其中，下标中“上”表示从输入上端口至波导模式耦合器入射上端的波导路径以及波导模式耦合器出射上端至输出上端口的波导路径；下标中“下”表示从输入下端口至波导模式耦合器入射下端的波导路径以及波导模式耦合器出射下端至输出下端口的波导路径。

输入上端口接收TE₀模光子通过入射上端输入至波导模式耦合器，输入下端口接收的TE₀模光子经过第一横向模式转换器转换为TE₁模光子，通过精确控制波导模式耦合器的耦合长度和耦合间距，使输入上端口输入的TE₀模光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率

，使第一横向模式转换器输出的TE₁模光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率为/>

。则从波导模式耦合器输出的量子态变为：

其中，

表示TE₀模光子和TE₁模光子同时从输出上端口或者同时从输出下端口输出的项，这两种情况的传输方式会在后选择过程被筛选舍弃，对后续的推导和结论无任何影响。

参考图9a，当TE₀模光子从波导模式耦合器的出射上端输出，TE₁模光子从波导模式耦合器的出射下端输出时，TE₀模光子和TE₁模光子均没有经过相位调制。参考图9b，当TE₁模光子从波导模式耦合器的出射上端输出，TE₀模光子从波导模式耦合器的出射下端输出时，TE₀模光子没有经过相位调制，而TE₁模光子通过第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器后，引入p的相位差，这一过程等效于将输入至波导模式耦合器的TE₀模光子和TE₁模光子引入p的相位差，即：

则从纠缠态产生模块输出的量子态为：

即纠缠态产生模块产生的量子态变换为：

当输入上端口接收TE₁模光子，输入下端口接收TE₀模光子时，参见图10a和图10b，同样地，为了方便表示，将TE₀模光子记为a模光子，TE₁模光子记为b模光子，此时输入至波导模式耦合器的量子态写为：

由上述可知，波导模式耦合器使输入上端口输入的TE₁模光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率与波导模式耦合器使第一横向模式转换器输出的TE₁模光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率相同，均为

，也即/>

。光子的模式转换过程在上述内容已经描述，这里不再详细说明，但是需要注意的是，图10a和图10a所示的两种传输路径中，从第三横向模式转换器输出的TE₁模光子均经过相位调制，引入p的相位差，等效于图10a和图10a所示的两种传输路径的相对相位差为零，则从波导模式耦合器输出的量子态变为：

即纠缠态产生模块产生的量子态变换为：

其中，

表示两个TE₁模光子同时从输出上端口或者同时从输出下端口输出的项，这两种情况的传输方式会在后选择过程被筛选舍弃，对后续的推导和结论无任何影响。

对于n比特的量子纠缠W态而言，可以表示为：

其中，

表示n-1个光子处于/>

态，另外一个光子处于/>

态的叠加。

假设有一个横向波导模式编码的n比特的量子纠缠W态，其中横向波导模式TE₀模记为a模，代表W态中的1；横向波导模式TE₁模记为b模,代表W态中的0，则可将W态写为：

选择W态中第n比特光子输入至纠缠态产生模块的输入上端口,纠缠态产生模块的输入下端口输入TE₀模光子（a模光子），扩展产生n+1比特W态。输入下端口输入的TE₀模光子（a模光子）经过第一横向模式转换器转换为TE₁模光子（b模光子）,则输入至波导模式耦合器的量子态变为：

经过纠缠态产生模块后，根据上述推导的变换关系，量子态演化为：

其中，

为未归一的量子态，代表所有被后选择筛选后抛弃的态。/>

表示n+1比特的量子纠缠W态。

由此可知，本申请将n比特量子纠缠W态扩展到n+1比特量子纠缠W态的概率为

。

基于上述对量子纠缠W态产生装置的工作过程和原理的描述可知，本申请中纠缠态的编码方式为横向波导模式编码，通过利用横向模式转换器、波导模式耦合器以及相位调节模块将外部输入的两个光子演化为两个比特的量子纠缠W态，两个比特的量子纠缠W态可以通过多个级联的纠缠态产生模块逐级扩展产生任意N比特的量子纠缠W态。且横向波导模式易于与其它自由度如路径、偏振、Time-bin转换，同时也便于与采用波导模式编码的其他量子信息系统进行耦合交互。

基于上述本申请实施例提供的所有量子纠缠W态产生装置，本申请实施例还对应提供了一种量子纠缠W态的产生方法，如图12所示为本申请实施例提供的一种量子纠缠W态的产生方法流程图。

量子纠缠W态的产生方法包括：

S11：输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，输入下端口接收TE₀模光子。

S12：第一横向模式转换器将输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子。

S13：波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使输入至波导模式耦合器的光子从波导模式耦合器的出射上端或波导模式耦合器的出射下端输出。

具体地，波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₀模光子的路径分配比为

，对输入上端口输入的TE₁模光子的路径分配比为/>

，对第一横向模式转换器输出的TE₁模光子的路径分配比为/>

，其中路径分配比为光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率/光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率。

S14：从波导模式耦合器的出射下端输出的光子输入至输出下端口。

S15：从波导模式耦合器的出射上端输出的光子输入至相位调节模块，若波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，相位调节模块对TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p，经过相位调制的TE₁模光子传输至输出上端口；若波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，相位调节模块直接将TE₀模光子传输至输出上端口。

这里需要提醒的是相位调节模块对波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子不进行相位调制。

S16：输出上端口将接收的光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

基于上述本申请实施例提供的量子纠缠W态的产生方法，进一步地，当相位调节模块由第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器组成时，如图13所示，本申请实施例还提供的一种量子纠缠W态的产生方法的流程图，量子纠缠W态的产生方法包括：

S21：输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，输入下端口接收TE₀模光子。

S22：第一横向模式转换器将输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子。

S23：波导模式耦合器对输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使输入至波导模式耦合器的光子从波导模式耦合器的出射上端或波导模式耦合器的出射下端输出。

S24：从波导模式耦合器的出射下端输出的光子输入至输出下端口；

S25：从波导模式耦合器的出射上端输出的光子输入至第二横向模式转换器，若波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，第二横向模式转换器将TE₁模光子转换为TE₀模光子并输出至相位调制器，相位调制器对通过第二横向模式转换器转换获取的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，经过相位调制的TE₀模光子通过第三横向模式转换器转换为TE₁模光子，经过转换获取的TE₁模光子输出至输出上端口；若波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，第二横向模式转换器将波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子直接传输至第三横向模式转换器，第三横向模式转换器接收TE₀模光子并传输给输出上端口。

具体地，若波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，TE₁模光子输入至第二横向模式转换器，TE₁模光子通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导传输至倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₁模光子转换为TE₀模光子，TE₀模光子再依次通过第二弯曲光波导、第二传输直波导输入至相位调制器，相位调制器对输入进来的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，也即是对TE₀模光子引入p的相位差，然后经过相位调制的TE₀模光子依次通过第三传输直波导、第三弯曲光波导传输进第三横向模式转换器的倏逝耦合区，经过相位调制的TE₀模光子转换为TE₁模光子，TE₁模光子输入至输出上端口。

若波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，TE₀模光子输入至第二横向模式转换器，TE₀模光子依次通过通过第二横向模式转换器中的第二主线直波导、第三横向模式转换器中的第三主线直波导传输至输出上端口。

S26：输出上端口将接收的光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，包括若干个级联的纠缠态产生模块，每个所述纠缠态产生模块包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口；

所述输入上端口用于接收TE₀模光子或TE₁模光子，所述输入下端口用于接收TE₀模光子；所述第一横向模式转换器与所述输入下端口连接，用于将所述输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；所述波导模式耦合器包括入射上端、入射下端、出射上端和出射下端，用于对所述输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及对所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，所述入射上端与所述输入上端口连接，所述入射下端与所述第一横向模式转换器连接，所述出射上端与所述相位调节模块连接，所述出射下端与所述输出下端口连接；所述相位调节模块用于对所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p；所述输出上端口与所述相位调节模块连接，用于将所述相位调节模块输出的TE₀模光子或TE₁模光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

2.根据权利要求1所述的量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，所述输入上端口、所述输入下端口、所述第一横向模式转换器、所述波导模式耦合器、所述相位调节模块、所述输出上端口和所述输出下端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

3.根据权利要求1所述的量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，所述第一横向模式转换器包括第一主线直波导以及依次相连的第一传输直波导、第一弯曲光波导、第一耦合区光波导，所述第一耦合区光波导与所述第一主线直波导形成倏逝耦合区，所述第一主线直波导与所述波导模式耦合器的入射下端连接，所述输入下端口与所述第一传输直波导连接。

4.根据权利要求1所述的量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，所述相位调节模块由第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器组成；所述第二横向模式转换器用于将所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₁模光子转换为TE₀模光子，包括第二主线直波导以及依次相连的第二耦合区光波导、第二弯曲光波导、第二传输直波导，所述第二耦合区光波导与所述第二主线直波导形成倏逝耦合区，所述第二主线直波导与所述波导模式耦合器的出射上端连接；所述第三横向模式转换器用于将所述相位调制器输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子，包括第三主线直波导以及依次相连的第三传输直波导、第三弯曲光波导、第三耦合区光波导，所述第三耦合区光波导与所述第三主线直波导形成倏逝耦合区，所述第三主线直波导与所述输出上端口连接；所述第二主线直波导与所述第三主线直波导连通，所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子依次通过所述第二主线直波导和所述第三主线直波导输出至所述输出上端口；所述相位调制器的两端分别连接所述第二传输直波导和所述第三传输直波导，用于对通过所述第二横向模式转换器转换获取的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p。

5.根据权利要求1所述的量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，所述波导模式耦合器由4个弯曲波导和一个四端口定向耦合器组成，4个弯曲波导分别对应连接四端口定向耦合器的四个端口。

6.根据权利要求1所述的量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子的路径分配比为

，对所述输入上端口输入的TE₁模光子的路径分配比为/>

，对所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子的路径分配比为/>

，其中路径分配比为光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率/光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率。

7.根据权利要求4所述的量子纠缠W态的产生装置，其特征在于，所述相位调制器为热光相位调制器或电光相位调制器。

8.一种量子纠缠W态的产生方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的量子纠缠W态的产生装置，所述量子纠缠W态的产生装置包括若干个级联的纠缠态产生模块，每个纠缠态产生模块包括输入上端口、输入下端口、第一横向模式转换器、波导模式耦合器、相位调节模块、输出上端口和输出下端口；所述方法包括：

所述输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，所述输入下端口接收TE₀模光子；

所述第一横向模式转换器将所述输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；

所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使输入至所述波导模式耦合器的光子从所述波导模式耦合器的出射上端或所述波导模式耦合器的出射下端输出；

从所述波导模式耦合器的出射下端输出的光子输入至所述输出下端口；

从所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子输入至所述相位调节模块，若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，所述相位调节模块对TE₁模光子进行相位调制且使调制相位差为p，经过相位调制的TE₁模光子传输至所述输出上端口；若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，所述相位调节模块直接将TE₀模光子传输至所述输出上端口；

所述输出上端口将接收的光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

9.根据权利要求8所述的一种量子纠缠W态的产生方法，其特征在于，当所述相位调节模块由第二横向模式转换器、相位调制器和第三横向模式转换器组成时，所述方法包括：

所述输入上端口接收TE₀模光子或TE₁模光子，所述输入下端口接收TE₀模光子；

所述第一横向模式转换器将所述输入下端口接收的TE₀模光子转换为TE₁模光子；

所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子或TE₁模光子以及所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子进行路径分配，使输入至所述波导模式耦合器的光子从所述波导模式耦合器的出射上端或所述波导模式耦合器的出射下端输出；

从所述波导模式耦合器的出射下端输出的光子输入至所述输出下端口；

从所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子输入至所述第二横向模式转换器，若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₁模光子，所述第二横向模式转换器将TE₁模光子转换为TE₀模光子并输出至所述相位调制器，所述相位调制器对通过所述第二横向模式转换器转换获取的TE₀模光子进行相位调制且使调制相位差为p，经过相位调制的TE₀模光子通过所述第三横向模式转换器转换为TE₁模光子，经过转换获取的TE₁模光子输出至所述输出上端口；若所述波导模式耦合器的出射上端输出的光子为TE₀模光子，所述第二横向模式转换器将所述波导模式耦合器的出射上端输出的TE₀模光子直接传输至所述第三横向模式转换器，所述第三横向模式转换器接收TE₀模光子并传输给所述输出上端口；

所述输出上端口将接收的光子输出或传输至下一级纠缠态产生模块。

10.根据权利要求8或9所述的一种量子纠缠W态的产生方法，其特征在于，所述波导模式耦合器对所述输入上端口输入的TE₀模光子的路径分配比为

，对所述输入上端口输入的TE₁模光子的路径分配比为/>

，对所述第一横向模式转换器输出的TE₁模光子的路径分配比为/>

，其中路径分配比为光子从波导模式耦合器出射上端输出的概率/光子从波导模式耦合器出射下端输出的概率。/>

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