CN116776994A - 一种量子受控非门 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子受控非门，包括第一输入横向模式转换器、第二输入横向模式转换器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器。通过设置4个横向波导模式转换器和5个分束器实现受控非门操作，结构简单紧凑、光路稳定性高且此结构中输入的两比特量子之间纠缠效率高。在实现受控非门操作时，对入射光的波长不限制，整个结构具有宽带有效性且本结构在采用多个横向波导编码的同时，也可采用波长进行编码，实现波导模式编码和波长编码的光在同一个信道进行复用和解复用，因此可扩展受控非门的计算和通信的维度。

Description

一种量子受控非门

技术领域

本申请属于量子信息技术领域，具体而言，涉及一种量子受控非门。

背景技术

量子受控非门是构建通用量子计算机必不可少的核心组成元件，其功能是根据控制比特的状态来改变目标比特的响应，再结合单比特量子门操作扩展为超大规模从而实现任意功能量子信息处理系统。理论上多个两比特量子受控非门与任意单比特量子门的组合可完成所有的量子计算任务。两比特量子受控非门的工作原理示意图参见图1，其中上面的线表示控制量子比特，下面的线表示目标量子比特，实心黑色圆点表示控制位，十字圆表示目标位，其工作方式为：如果控制量子比特为0，则目标量子比特保持不变；如果控制量子比特为1，则目标量子比特翻转。

许多利用线性光学元件和光子系统制备量子受控非门的方案已被提出，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。横向波导模式编码是新兴的一种量子态编码方式，如专利号CN100454128C公开了一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，通过波导模式耦合器、马赫-增德尔干涉仪以及半导体光放大器等非线性器件构成的量子控制非门，实现了两个光场间波导模式的纠缠。但在此技术方案中采用的克尔介质或半导体放大器为非线性器件，因此两个光场成功发生相互作用的效率低。

片上量子横向波导模式编码可在多模波导、多模光纤中传播，光在波导中传播可以有多种波导模式，因而波导模式能够用于高维编码过程，这将大大拓展单比特通信和计算的信息容量，因此本申请提出一种采用横向波导模式编码的量子受控非门。

发明内容

基于上述内容，本申请提供一种量子受控非门，通过采用横向波导模式转换器和分束器实现受控非门操作，结构简单紧凑、光路稳定性高。其具体方案如下：

本申请公开了一种量子受控非门，包括第一输入横向模式转换器、第二输入横向模式转换器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器；

所述第一输入横向模式转换器和所述第二输入横向模式转换器均包括输入端、输出上端和输出下端，所述第一输出横向模式转换器和所述第二输出横向模式转换器均包括输入上端、输入下端和输出端，所述第二分束器的输入下端口与所述第一输入横向模式转换的输出上端连接，所述第二分束器的输出下端口与所述第一输出横向模式转换的输入上端连接，所述第三分束器的四个端口分别对应连接所述第一输入横向模式转换的输出下端、所述第一分束器的输出上端口、所述第一输出横向模式转换的输入下端和所述第五分束器的输入上端口；所述第一分束器的四个端口分别对应连接所述第二输入横向模式转换的输出上端、所述第二输入横向模式转换的输出下端、所述第三分束器的输入下端口和所述第四分束器的输入上端口；所述第五分束器的四个端口分别对应连接所述第三分束器的输出下端口、所述第四分束器的输出上端口、所述第二输出横向模式转换的输入上端和所述第二输出横向模式转换的输入下端；

所述第一输入横向模式转换器用于将接收的TE₀模光子传输至所述第二分束器的输入下端口或将接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子并将转换的TE₀模光子传输至所述第三分束器的输入上端口；

所述第二输入横向模式转换器用于将接收的TE₀模光子传输至所述第一分束器的输入上端口或将接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子并将转换的TE₀模光子传输至所述第一分束器的输入下端口；

所述第一输出横向模式转换器用于将所述第二分束器的输出下端口输出的TE₀模光子直接输出或将所述第三分束器的输出上端口输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子并将转换的TE₁模光子输出；

所述第二输出横向模式转换器用于将所述第五分束器的输出上端口输出的TE₀模光子直接输出或将所述第五分束器的输出下端口输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子并将转换的TE₁模光子输出；

所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器、所述第四分束器和所述第五分束器用于对输入的TE₀模光子进行路径分配，所述第一分束器和所述第五分束器的路径分配比为1：1，所述第二分束器、所述第三分束器和所述第四分束器的路径分配比为1:2，其中路径分配比为光子从分束器输入端同侧的输出端输出的概率/光子从分束器输入端异侧的输出端输出的概率。

优选地，所述第一输入横向模式转换器、所述第二输入横向模式转换器、所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器、所述第四分束器、所述第五分束器、所述第一输出横向模式转换器和所述第二输出横向模式转换器通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

进一步地，所述第一输入横向模式转换器、所述第二输入横向模式转换器、所述第一输出横向模式转换器、所述第二输出横向模式转换器均包括主线直波导以及依次相连的耦合区光波导、弯曲光波导、传输直波导，所述耦合区光波导与所述主线直波导形成倏逝耦合区；所述第一输入横向模式转换器的主线直波导与所述第二分束器的输入下端口连接，所述第一输入横向模式转换器的传输直波导与所述第三分束器的输入上端口连接；所述第二输入横向模式转换器的主线直波导与所述第一分束器的输入上端口连接，所述第二输入横向模式转换器的传输直波导与所述第一分束器的输入下端口连接；所述第一输出横向模式转换器的主线直波导与所述第二分束器的输出下端口连接，所述第一输出横向模式转换器的传输直波导与所述第三分束器的输出上端口连接；所述第二输出横向模式转换器的主线直波导与所述第五分束器的输出上端口连接，所述第二输出横向模式转换器的传输直波导与所述第五分束器的输出下端口连接。

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：

本申请通过设置4个横向波导模式转换器和5个分束器实现受控非门操作，结构简单紧凑、光路稳定性高且此结构中输入的两比特量子之间纠缠效率高。在实现受控非门操作时，对入射光的波长不限制，整个结构具有宽带有效性且本结构在采用多个横向波导编码的同时，也可采用波长进行编码，实现波导模式编码和波长编码的光在同一个信道进行复用和解复用，因此可扩展受控非门的计算和通信的维度。

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为两比特量子受控非门的原理示意图；

图2为本申请实施例提供的一种量子受控非门的结构示意图；

图3为本申请中第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器的结构示意图；

图4为本申请中第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器的结构示意图；

图5为本申请中分束器的结构示意图；

图6为本申请量子受控非门的四条路径标注及其中一个实施例下的光子演化的传输路径图；

图7为本申请量子受控非门扩展实施例对应的结构示意图。

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。

横向波导模式编码是新兴的一种量子态编码方式，如专利号CN100454128C公开了一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，通过波导模式耦合器、马赫-增德尔干涉仪以及半导体光放大器等非线性器件构成的量子控制非门，实现了两个光场间波导模式的纠缠。但在此技术方案中采用的克尔介质或半导体放大器为非线性器件，因此两个光场成功发生相互作用的效率低。

基于此，本申请提供一种量子受控非门，如图2所示，包括第一输入横向模式转换器、第二输入横向模式转换器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器。

在本申请中，第一输入横向模式转换器、第二输入横向模式转换器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成，也即是量子受控非门为片上结构，各元器件间布局紧凑、光路稳定性高。

第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器均包括输入端、输出上端和输出下端。第二分束器的输入下端口与第一输入横向模式转换的输出上端连接，第二分束器的输出下端口与第一输出横向模式转换的输入上端连接。

第三分束器的四个端口分别对应连接第一输入横向模式转换的输出下端、第一分束器的输出上端口、第一输出横向模式转换的输入下端和第五分束器的输入上端口。具体地，第三分束器的输入上端口连接第一输入横向模式转换的输出下端，第三分束器的输入下端口连接第一分束器的输出上端口，第三分束器的输出上端口连接第一输出横向模式转换的输入下端，第三分束器的输出下端口连接第五分束器的输入上端口。

第一分束器的四个端口分别对应连接第二输入横向模式转换的输出上端、第二输入横向模式转换的输出下端、第三分束器的输入下端口和第四分束器的输入上端口。具体地，第一分束器的输入上端口连接第二输入横向模式转换的输出上端，第一分束器的输入下端口连接第二输入横向模式转换的输出下端，第一分束器的输出上端口连接第三分束器的输入下端口，第一分束器的输出下端口连接第四分束器的输入上端口。

第五分束器的四个端口分别对应连接第三分束器的输出下端口、第四分束器的输出上端口、第二输出横向模式转换的输入上端和第二输出横向模式转换的输入下端。具体地，第五分束器的输入上端口连接第二输入横向模式转换的输出上端，第一分束器的输入下端口连接第二输入横向模式转换的输出下端，第一分束器的输出上端口连接第三分束器的输入下端口，第一分束器的输出下端口连接第四分束器的输入上端口。

第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器接收外部光源产生的TE₀模光子或TE₁模光子，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第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器。

第一输入横向模式转换器将接收的TE₀模光子传输至第二分束器的输入下端口或将接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子并将转换的TE₀模光子传输至第三分束器的输入上端口。

第二输入横向模式转换器将接收的TE₀模光子传输至第一分束器的输入上端口或将接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子并将转换的TE₀模光子传输至第一分束器的输入下端口。

第一输出横向模式转换器将第二分束器的输出下端口输出的TE₀模光子直接输出或将第三分束器的输出上端口输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子并将转换的TE₁模光子输出。

第二输出横向模式转换器用于将第五分束器的输出上端口输出的TE₀模光子直接输出或将第五分束器的输出下端口输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子并将转换的TE₁模光子输出。

第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器和第五分束器用于对输入的TE₀模光子进行路径分配，第一分束器和第五分束器的路径分配比为1：1，第二分束器、第三分束器和第四分束器的路径分配比为1:2，其中路径分配比为光子从分束器输入端同侧的输出端输出的概率/光子从分束器输入端异侧的输出端输出的概率。

具体地以第三分束器为例，从第三分束器的输入上端口输入的TE₀模光子，通过第三分束器的路径分配作用，则TE₀模光子从第三分束器的输出上端口输出的概率/从第三分束器的输出下端口输出的概率为1:2；从第三分束器的输入下端口输入的TE₀模光子，通过第三分束器的路径分配作用，则TE₀模光子从第三分束器的输出下端口输出的概率/从第三分束器的输出上端口输出的概率为1:2。

在本申请中，第一输入横向模式转换器、第二输入横向模式转换器、第一输出横向模式转换器、第二输出横向模式转换器均包括主线直波导以及依次相连的耦合区光波导、弯曲光波导、传输直波导，耦合区光波导与主线直波导形成倏逝耦合区。通过设定倏逝耦合区的长度、间距以及耦合区光波导的宽度和主线直波导的宽度，达到模式转换的目的。第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器的结构如图3所示，通过设定倏逝耦合区的长度、间距以及耦合区光波导的宽度和主线直波导的宽度，使TE₁模光子转换为TE₀模光子。第一输出横向模式转换器、第二输出横向模式转换器的结构如图4所示，通过调整倏逝耦合区的长度、间距以及耦合区光波导的宽度和主线直波导的宽度，使TE₀模光子转换为TE₁模光子。更进一步地，第一输入横向模式转换器的主线直波导与第二分束器的输入下端口连接，第一输入横向模式转换器的传输直波导与第三分束器的输入上端口连接；第二输入横向模式转换器的主线直波导与第一分束器的输入上端口连接，第二输入横向模式转换器的传输直波导与第一分束器的输入下端口连接；第一输出横向模式转换器的主线直波导与第二分束器的输出下端口连接，第一输出横向模式转换器的传输直波导与第三分束器的输出上端口连接；第二输出横向模式转换器的主线直波导与第五分束器的输出上端口连接，第二输出横向模式转换器的传输直波导与所述第五分束器的输出下端口连接。

具体地，当第一输入横向模式转换器接收的是TE₀模光子时，TE₀模光子通过第一输入横向模式转换器的主线直波导直接传输至第二分束器的输入下端口。当第一输入横向模式转换器接收的是TE₁模光子时，TE₁模光子通过第一输入横向模式转换器的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一输入横向模式转换器的弯曲光波导和传输直波导输入至第三分束器的输入上端口。

同样地，当第一输出横向模式转换器接收的是从第二分束器的输出下端口输出的TE₀模光子时，则TE₀模光子则通过第一输出横向模式转换器的主线直波导直接输出。当第一输出横向模式转换器接收的是从第三分束器的输出上端口输出的TE₀模光子时，则TE₀模光子则通过第一输出横向模式转换器的传输直波导和弯曲光波导传输至倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₀模光子转换为TE₁模光子，TE₁模光子通过第一输出横向模式转换器的主线直波导输出。

第二输入横向模式转换器的工作原理和第一输入横向模式转换器相同，第二输出横向模式转换器的工作原理和第二输出横向模式转换器相同，这里不再赘述。

为了便于理解和描述，将分束器的上半部分命名为上支路，下半部分命名为下支路，如图5所示。本申请的量子受控非门包括四条路径，分别命名为C0路径、C1路径、T0路径和T1路径，参见图6。C0路径和C1路径组成C路径，为控制路径。T0路径和T1路径组成T路径，为目标路径。C0路径包括第一输入横向模式转换器的主线直波导、第二分束器的下支路以及第一输出横向模式转换器的主线直波导。C1路径包括第一输入横向模式转换器的耦合区光波导、弯曲光波导、传输直波导，第三分束器的上支路以及第一输出横向模式转换器的传输直波导、弯曲光波导、耦合区光波导。T0路径包括第二输入横向模式转换器的主线直波导、第一分束器的上支路、第三分束器的下支路、第五分束器的上支路以及第二输出横向模式转换器的主线直波导。T1路径包括第二输入横向模式转换器的耦合区光波导、弯曲光波导、传输直波导，第四分束器的上支路、第五分束器的下支路以及第二输出横向模式转换器的传输直波导、弯曲光波导、耦合区光波导。

下面将结合图示具体说明光子的演化和传输过程。

假设第一输入横向模式转换器接收外部光源产生的TE₀模光子，第二输入横向模式转换器接收外部光源产生的TE₁模光子，如图6所示。为了便于展示光子的演化过程和传输路径，第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器接收的光子分别采用不同填充元素的圆形表示，实心圆表示第一输入横向模式转换器接收的光子及其光子演化，填充图案的圆表示第二输入横向模式转换器接收的光子及其光子演化。

第一输入横向模式转换器接收的TE₀模光子直接输入至第二分束器进行路径分配，可能从第二分束器的输出上端口输出(无效输出)，也可能从第二分束器的输出下端口输出至第一输出横向模式转换器的主线直波导，然后直接输出。第二输入横向模式转换器接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子，转换后获取的TE₀模光子输入至第一分束器进行路径分配，可能从第一分束器的输出上端口输入至第三分束器，也可能从第一分束器的输出下端口输入至第四分束器，假设从第一分束器的输出下端口输入至第四分束器，则在第四分束器的路径分配下，可能从第四分束器的输出上端口输入至第五分束器，也可能从第四分束器的输出下端口输出(无效输出)，假设从第四分束器的输出上端口输入至第五分束器进行路径分配，则转换后获取的TE₀模光子可能从第五分束器的输出上端口输入至第二输出横向模式转换器的主线直波导，也可能从第五分束器的输出下端口输入第二输出横向模式转换器的传输直波导，然后依次通过弯曲波导和倏逝耦合区，在倏逝耦合区TE₀模光子被转换为TE₁模光子，通过第二输出横向模式转换器的主线直波导输出。假设转换后获取的TE₀模光子从第五分束器的输出下端口输出，则通过第二输入横向模式转换器转换后获取的TE₀模光子的整个传输路径参考图6，也即是对应T1路径。需要注意的是，由上述内容可知转换后获取的TE₀模光子的传输过程具有多种路径选择，图6只是示出其中的一种传输路径，其它不再一一列举。

为了使本申请更加清楚，下面将结合图2和图6对量子受控非门的工作原理进行详细的说明。

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，输入第一输入横向模式转换器的光子记为控制量子比特C_in，输入第二输入横向模式转换器的光子记为目标量子比特T_in，参见图2和图6中所示，则输入至第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器的量子态可表示为：

其中，α_c表示输入光子以TE₀模式输入至第一输入横向模式转换器的概率辐，β_c表示输入光子以TE₁模式输入至第一输入横向模式转换器的概率辐，α_T表示输入光子以TE₀模式输入至第二输入横向模式转换器的概率辐，，β_T表示输入光子以TE₁模式输入至第二输入横向模式转换器的概率辐。

输入光子分别通过第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器后的量子态，也即是光子到达第一分束器之前的量子态，表示为：

其中，分别对应C0路径(第一输入横向模式转换器的输出上端)、C1路径(第一输入横向模式转换器的输出下端)、T0路径(第二输入横向模式转换器的输出上端)、T1路径(第二输入横向模式转换器的输出上端)的产生算符。

基于第一分束器和第五分束器的路径分配比为1:1，则光子从第一分束器的输入上端口或第五分束器的输入上端口输入后，产生算符的演化为：

其中，左侧的表示第一分束器的输入上端口或第五分束器的输入上端口的产生算符；/>中的/>表示第一分束器的输出上端口或第五分束器的输出上端口的产生算符，/>表示第一分束器的输出下端口或第五分束器的输出下端口的产生算符。下述产生算符演化公式中各项含义与上述阐释类似，只是针对不同的分束器而已，因此在后续中不再一一描述各项含义。

光子从第一分束器的输入下端口或第五分束器的输入下端口输入后，产生算符的演化为：

基于第二分束器、第三分束器和第四分束器的路径分配比为1:2,则光子从其输入上端口输入后，产生算符的演化为：

从其输入下端口输入后，产生算符的演化为：

基于上述产生算符的演化过程，相应地，输入光子分别通过第一输入横向模式转换器和第二输入横向模式转换器，再经过第一分束器后，量子态演化为：

经过第二分束器后，在此演化公式中/>表示第二分束器的输出上端口的产生算符。经过第四分束器后，/>在此演化公式中/>表示第四分束器的输出下端口的产生算符。经过第三分束器后，

综上，经过第二分束器、第三分束器和第四分束器后，量子态表示为：

经过第五分束器后，产生算符的演化为：

则经过第五分束器后，到达第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器之前，量子态演化为：

因为从第二分束器的输出上端口和从第四分束器的输出下端口的输出为无效输出，则剔除含项并展开，量子态表示为：

将两个光子同时从C路径以及同时从T路径输出的项归入|ψ'>，只保留从C路径和T路径各有一个光子输出的项，C路径由C0路径和C1路径组成，T路径由T0路径和T1路径组成，则量子态表示为：

展开合并后，量子态表示为：

当第一输入横向模式转换器输入的是TE₁模光子(b模光子)时，α_c为0，则经过第五分束器后，到达第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器之前，量子态为：

而到达第一分束器之前的量子态为：

对比这两个过程的量子态可知，与/>概率幅不翻转，即目标量子比特T_in不翻转。

而当第一输入横向模式转换器输入的是TE₀模光子(a模光子)时，β_C为0，则经过第五分束器后，到达第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器之前，量子态为：

而到达第一分束器之前的量子态为：

对比这两个过程的量子态可知，与/>概率幅翻转，即目标量子比特T_in翻转，因此本申请的光路以1/9的概率实现横向波导模式的量子受控非门操作输出。由于在申请中双光子的输入态也为横向波导模式编码的量子叠加态，因此本申请实现了输入和输出均为横向波导模式的片上量子受控非门功能。

此外，本申请中的量子受控非门未采用非线性介质和非线性器件，因此输入的两比特量子之间纠缠效率高。

本申请中的量子受控非门仅由横向波导模式转换器以及分束器组成，因此对输入光子的波长不限制，所以本结构在采用多个横向波导编码的同时，也可采用波长进行编码，实现波导模式编码和波长编码的光在同一个信道进行复用和解复用，扩展了受控非门的计算和通信的维度。基于此，本申请提供一种量子受控非门扩展应用的实施例，如图7所示，第一输入横向模式转换器的输入端和第二输入横向模式转换器的输入端分别连接一个光复用器，第一输出横向模式转换器的输出端和第二输出横向模式转换器的输出端分别连接一个光解复用器。光复用器用于接收外部光源输出的多个波长不同的光子并将多个光子合成一路相应地输入至第一输入横向模式转换器或第二输入横向模式转换器，光解复用器用于接收从第一输出横向模式转换器或第二输出横向模式转换器输出的光子并将不同波长的光子从不同的输出口输出，实现了波导模式编码和波长编码的光在同一个信道进行复用和解复用。

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 (3)

1.一种量子受控非门，其特征在于，包括第一输入横向模式转换器、第二输入横向模式转换器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一输出横向模式转换器和第二输出横向模式转换器；

所述第一输入横向模式转换器和所述第二输入横向模式转换器均包括输入端、输出上端和输出下端，所述第一输出横向模式转换器和所述第二输出横向模式转换器均包括输入上端、输入下端和输出端，所述第二分束器的输入下端口与所述第一输入横向模式转换的输出上端连接，所述第二分束器的输出下端口与所述第一输出横向模式转换的输入上端连接，所述第三分束器的四个端口分别对应连接所述第一输入横向模式转换的输出下端、所述第一分束器的输出上端口、所述第一输出横向模式转换的输入下端和所述第五分束器的输入上端口；所述第一分束器的四个端口分别对应连接所述第二输入横向模式转换的输出上端、所述第二输入横向模式转换的输出下端、所述第三分束器的输入下端口和所述第四分束器的输入上端口；所述第五分束器的四个端口分别对应连接所述第三分束器的输出下端口、所述第四分束器的输出上端口、所述第二输出横向模式转换的输入上端和所述第二输出横向模式转换的输入下端；

所述第一输入横向模式转换器用于将接收的TE₀模光子传输至所述第二分束器的输入下端口或将接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子并将转换的TE₀模光子传输至所述第三分束器的输入上端口；

所述第二输入横向模式转换器用于将接收的TE₀模光子传输至所述第一分束器的输入上端口或将接收的TE₁模光子转换为TE₀模光子并将转换的TE₀模光子传输至所述第一分束器的输入下端口；

所述第一输出横向模式转换器用于将所述第二分束器的输出下端口输出的TE₀模光子直接输出或将所述第三分束器的输出上端口输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子并将转换的TE₁模光子输出；

所述第二输出横向模式转换器用于将所述第五分束器的输出上端口输出的TE₀模光子直接输出或将所述第五分束器的输出下端口输出的TE₀模光子转换为TE₁模光子并将转换的TE₁模光子输出；

所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器、所述第四分束器和所述第五分束器用于对输入的TE₀模光子进行路径分配，所述第一分束器和所述第五分束器的路径分配比为1：1，所述第二分束器、所述第三分束器和所述第四分束器的路径分配比为1:2，其中路径分配比为光子从分束器输入端同侧的输出端输出的概率/光子从分束器输入端异侧的输出端输出的概率。

2.根据权利要求1所述的一种量子受控非门，其特征在于，所述第一输入横向模式转换器、所述第二输入横向模式转换器、所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器、所述第四分束器、所述第五分束器、所述第一输出横向模式转换器和所述第二输出横向模式转换器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所述的一种量子受控非门，其特征在于，所述第一输入横向模式转换器、所述第二输入横向模式转换器、所述第一输出横向模式转换器、所述第二输出横向模式转换器均包括主线直波导以及依次相连的耦合区光波导、弯曲光波导、传输直波导，所述耦合区光波导与所述主线直波导形成倏逝耦合区；所述第一输入横向模式转换器的主线直波导与所述第二分束器的输入下端口连接，所述第一输入横向模式转换器的传输直波导与所述第三分束器的输入上端口连接；所述第二输入横向模式转换器的主线直波导与所述第一分束器的输入上端口连接，所述第二输入横向模式转换器的传输直波导与所述第一分束器的输入下端口连接；所述第一输出横向模式转换器的主线直波导与所述第二分束器的输出下端口连接，所述第一输出横向模式转换器的传输直波导与所述第三分束器的输出上端口连接；所述第二输出横向模式转换器的主线直波导与所述第五分束器的输出上端口连接，所述第二输出横向模式转换器的传输直波导与所述第五分束器的输出下端口连接。