CN116800349B - 一种干涉网络扩展系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种干涉网络扩展系统及方法，干涉网络扩展系统包括M条主传输路径和N个扩展模块，M和N均为正整数且M≥2，扩展模块阵列设置在主传输路径上；扩展模块包括M个MZ干涉仪、M个波导延时环路和一个干涉网络，MZ干涉仪用于调节输入光子的分束比，M个MZ干涉仪分别一一对应设置在M条主传输路径上。本申请实现了光子在MZ干涉仪和在干涉网络上的两种干涉过程，并且通过对干涉网络的分时复用，在功能上实现了更大规模的干涉和更加复杂的幺正，相当于扩展了干涉网络的输入和输出端口的数量；因此在同样的幺正编码需求下，本申请可以采用更少的器件和更小的空间实现，从而降低了芯片的面积，节省了量子计算所消耗的资源和成本。

Description

一种干涉网络扩展系统及方法
技术领域
本申请属于量子计算技术领域，具体而言，涉及一种干涉网络扩展系统及方法。
背景技术
量子计算近年来得到高速发展，同时在量子比特数目和操作精度两个重要方面取得了巨大进步。光子作为量子技术的载体，具有诸多优点，如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，容易实现高精度操控；此外光子具有多自由度，可以用于编码高维量子，光量子计算发展成为量子计算技术的一个重要分支。结合现在半导体工艺技术，近年来光量子计算系统逐渐在向小型化方向发展。
干涉网络可以实现任意幺正编码，是光子计算、光量子计算的基础结构。集成化或芯片化的可调干涉网络，基于材料的电光、热光等效应，通过外加的电、热、力学调节，从而实现相位和分束比完全可调的单个分束器，通过并联和串联这些器件原则上可实现大规模的干涉网络。如专利CN 112862103A-集成光量子计算芯片及其制备方法中将大量的可调分束器按照方型或者三角型连接实现普适的幺正变换。
干涉网络的规模决定了光子计算、光量子计算的能力，而片上集成的干涉网络的规模上限决定于流片厂的掩膜板尺寸，超出掩膜板尺寸的光子芯片需要通过多次曝光拼接实现，工艺流程复杂并且会引入额外损耗。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供一种干涉网络扩展系统及方法，采用MZ干涉仪、波导延时环路和干涉网络，通过调制不同循环下的MZ干涉仪实现输入光子的不同分束比，达到对单个干涉网络复用的目的，扩展了干涉网络的输入和输出端口的数量，节省了资源和片上空间。其具体方案如下：
第一方面，本申请公开了一种干涉网络扩展系统，包括M条主传输路径和N个扩展模块，M和N均为正整数且M≥2，所述扩展模块阵列设置在所述主传输路径上；
每条所述主传输路径的两端分别设置入射端口和出射端口，每条所述主传输路径由N+1个主传输波导组成，每条所述主传输路径对应连接一个外部单光子源，所述主传输路径的入射端口用于接收外部单光子源输出的光子；
每个所述扩展模块包括M个MZ干涉仪、M个波导延时环路和一个干涉网络，所述MZ干涉仪用于调节输入光子的分束比，具有两个输入端和两个输出端；M个所述MZ干涉仪分别一一对应设置在M条主传输路径上；
所述干涉网络用于对输入其上的光子实现幺正变换，具有M个输入端和M个输出端；
每个所述波导延时环路由第一延时波导和第二延时波导组成，所述第一延时波导的两端分别与所述MZ干涉仪的输出上端和所述干涉网络的一个输入端连接，所述第二延时波导的两端分别与所述MZ干涉仪的输入上端和所述干涉网络的一个输出端连接，所述MZ干涉仪的输入下端与一个所述主传输波导的一端连接，所述MZ干涉仪的输出下端与另一个所述主传输波导的一端连接；所述波导延时环路用于对从所述MZ干涉仪的输出上端输出的光子进行延迟且所述波导延时环路对光子的延迟时间与所述单光源输出光子的周期保持一致。
进一步地，所述干涉网络由(M-1)×(M/2)个所述MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现M模式的幺正变换。
进一步地，所述主传输路径、所述扩展模块、所述入射端口和所述出射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MZ干涉仪包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器、第一相位调制器和第二相位调制器，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，第一相位调制器设置在第一50:50分束器的输入上端口处，第二相位调制器设置在干涉上臂上。
优选地，所述干涉网络扩展系统包括4条主传输路径和2个扩展模块，每个扩展模块包括4个MZ干涉仪、4个波导延时环路和一个干涉网络，所述扩展模块中的4个所述MZ干涉仪分别一一对应设置在4条主传输路径上，所述干涉网络具有4个输入端和4个输出端。
优选地，所述干涉网络由6个所述MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现4模式的幺正变换。
第二方面，本申请公开了一种干涉网络扩展方法，所述方法应用于上述的干涉网络扩展系统，所述方法包括：
与主传输路径对应连接的外部单光子源通过对应入射端口同时向相应主传输路径上的MZ干涉仪输入第一光子，外部单光子源周期性输出光子且所有外部单光子源输出光子的周期均相同并设置为T；
位于主传输路径上的MZ干涉仪调节输入第一光子的分束比，使接收的第一光子全部从MZ干涉仪的输出上端输出，并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络；
干涉网络对输入其上的所有第一光子实现幺正变换，经过幺正变换后的第一光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端，第一延时波导和第二延时波导对光子的总延时时间为T；
从MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与对应外部单光子源输出的下一周期的第二光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块；
干涉网络对输入其上的光子实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端；
从MZ干涉仪输入上端输入的光子与对应外部单光子源输出的再下一周期的第三光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块；
以此循环，直至外部单光子源输出的最后一个周期的光子与从MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块；
干涉网络对输入其上的光子再次实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子全部从MZ干涉仪的输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块。
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：
本申请提供了一种干涉网络扩展系统及方法，干涉网络扩展系统包括M条主传输路径和N个扩展模块，M和N均为正整数且M≥2，扩展模块阵列设置在主传输路径上；扩展模块包括M个MZ干涉仪、M个波导延时环路和一个干涉网络，MZ干涉仪用于调节输入光子的分束比，具有两个输入端和两个输出端；M个MZ干涉仪分别一一对应设置在M条主传输路径上。与主传输路径对应连接的各外部单光子源同时向MZ干涉仪周期性输出光子，外部单光子源输出光子的周期与波导延时环路对光子的延迟时间一致。MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子全部从MZ干涉仪的输出上端输入至干涉网络，干涉网络对输入的所有光子实现幺正变换，经过幺正变换的光子从MZ干涉仪的输入上端输入并与外部单光源输出的下一周期的光子同时输入至MZ干涉仪，然后调控MZ干涉仪对输入的光子实现不同的分束比，使光子以一定概率从MZ干涉仪的输出下端输出或传输至下一个扩展模块，以另一概率通过输出上端输入至干涉网络，以此循环直至外部单光子源输出的最后一个周期的光子完成循环再通过调节MZ干涉仪的分束比，使从MZ干涉仪输入上端输入的光子全部从输出下端输出，完成外部单光子源所有周期输出的光子在扩展模块上的干涉过程。
基于本申请系统的结构，实现了光子在MZ干涉仪和在干涉网络上的两种干涉过程，并且通过对干涉网络的分时复用，在功能上实现了更大规模的干涉和更加复杂的幺正，相当于扩展了干涉网络的输入和输出端口的数量；因此在同样的幺正编码需求下，本申请可以采用更少的器件和更小的空间实现，从而降低了芯片的面积，节省了量子计算所消耗的资源和成本。
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为本申请一个实施例提供的一种干涉网络扩展系统的结构示意图；
图2为本申请中MZ干涉仪的结构示意图；
图3为本申请一个实施例下干涉网络的结构示意图；
图4为本申请另一个实施例下干涉网络的结构示意图；
图5为本申请另一实施例提供的一种干涉网络扩展系统的结构示意图；
图6为本申请基于图5对输入光子调制的空间等效图；
图7为本申请实施例提供的一种干涉网络扩展方法的流程图。
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。
干涉网络可以实现任意幺正编码，是光子计算、光量子计算的基础结构。集成化或芯片化的可调干涉网络，基于材料的电光、热光等效应，通过外加的电、热、力学调节，从而实现相位和分束比完全可调的单个分束器，通过并联和串联这些器件原则上可实现大规模的干涉网络。如专利CN 112862103A-集成光量子计算芯片及其制备方法中将大量的可调分束器按照方型或者三角型连接实现普适的幺正变换。
干涉网络的规模决定了光子计算、光量子计算的能力，而片上集成的干涉网络的规模上限决定于流片厂的掩膜板尺寸，超出掩膜板尺寸的光子芯片需要通过多次曝光拼接实现，工艺流程复杂并且会引入额外损耗。
基于此，本申请提供一种干涉网络扩展系统，包括M条主传输路径和N个扩展模块，M和N均为正整数且M≥2，扩展模块阵列设置在主传输路径上。
每条主传输路径的两端分别设置入射端口和出射端口，每条主传输路径由N+1个主传输波导组成，每条主传输路径对应连接一个外部单光子源，主传输路径的入射端口用于接收外部单光子源输出的光子。
在本申请中，主传输路径、扩展模块、入射端口和出射端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成，也即是干涉网络扩展系统为片上结构，各元器件间布局紧凑、体积小、光路稳定性高。
具体地，每个扩展模块包括M个MZ干涉仪、M个波导延时环路和一个干涉网络，MZ干涉仪用于调节输入光子的分束比，具有两个输入端和两个输出端；M个MZ干涉仪分别一一对应设置在M条主传输路径上。
干涉网络用于对输入其上的光子实现幺正变换，具有M个输入端和M个输出端。
每个波导延时环路由第一延时波导和第二延时波导组成，第一延时波导的两端分别与MZ干涉仪的输出上端和干涉网络的一个输入端连接，第二延时波导的两端分别与MZ干涉仪的输入上端和干涉网络的一个输出端连接，MZ干涉仪的输入下端与一个主传输波导的一端连接， MZ干涉仪的输出下端与另一个主传输波导的一端连接；波导延时环路用于对从MZ干涉仪的输出上端输出的光子进行延迟且波导延时环路对光子的延迟时间与单光源输出光子的周期保持一致。
在本申请的一个实施例中，干涉网络扩展系统包括4条主传输路径和1个扩展模块，如图1所示，也即是在本实施例中，M=4，N=1，扩展模块阵列设置在主传输路径上。相应的，扩展模块包括4个MZ干涉仪、4个波导延时环路和一个干涉网络，MZ干涉仪用于调节输入其上的光子的分束比，具有两个输出端和两个输入端。4个MZ干涉仪分别一一对应设置在4条主传输路径上，也即是每条主传输路径上设置一个MZ干涉仪。
在此实施例下，每条主传输路径由2个主传输波导组成，分别为第一主传输波导和第二主传输波导。第一主传输波导的一端设置入射端口，另一端与MZ干涉仪的输入下端连接。第二主传输波导的一端设置出射端口，另一端与MZ干涉仪的输出下端连接。
4条主传输路径分别命名为第一主传输路径、第二主传输路径、第三主传输路径和第四主传输路径。每条主传输路径对应连接一个外部单光子源，与第一主传输波导连接的入射端口用于接收外部单光子源输出的光子。为了便于阐述，这里将与第一主传输路径对应连接的外部单光子源名为第一单光子源，设置在第一主传输路径上的MZ干涉仪命名为第一MZ干涉仪；与第二主传输路径对应连接的外部单光子源名为第二单光子源，设置在第二主传输路径上的MZ干涉仪命名为第二MZ干涉仪；与第三主传输路径对应连接的外部单光子源名为第三单光子源，设置在第三主传输路径上的MZ干涉仪命名为第三MZ干涉仪；与第四主路径对应连接的外部单光子源名为第四单光子源，设置在第四主传输路径上的MZ干涉仪命名为第四MZ干涉仪。与第一MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第一波导延时环路，与第二MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第二波导延时环路，与第三MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第三波导延时环路，与第四MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第四波导延时环路。
这里需要注意的是，单光子源在单位时间内只能发出一个光子，这个单位时间即为单光子源输出光子的周期，可以根据具体实施过程调制输出光子的周期。此实施例下的4个外部单光子源分别同时向与之连接的入射端口输入光子，且4个外部单光子源输出光子的周期均相同。
干涉网络具有4个输入端和4个输出端，用于对输入其上的光子实现幺正变换，4个输入端分别命名为第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端，4个输出端分别命名为第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端。
每个波导延时环路均由第一延时波导和第二延时波导组成，第一波导延时环路中的第一延时波导的两端分别与第一MZ干涉仪的输出上端和干涉网络的第一输入端连接，第一波导延时环路中的第二延时波导的两端分别与第一MZ干涉仪的输入上端和干涉网络的第一输出端连接，第一MZ干涉仪的输入下端与第一主传输路径中的第一主传输波导的输出端连接，第一MZ干涉仪的输出下端与第一主传输路径中的第二主传输波导的输入端连接。
第二波导延时环路中的第一延时波导的两端分别与第二MZ干涉仪的输出上端和干涉网络的第二输入端连接，第二波导延时环路中的第二延时波导的两端分别与第二MZ干涉仪的输入上端和干涉网络的第二输出端连接，第二MZ干涉仪的输入下端与第二主传输路径中的第一主传输波导的输出端连接，第二MZ干涉仪的输出下端与第二主传输路径中的第二主传输波导的输入端连接。
第三波导延时环路中的第一延时波导的两端分别与第三MZ干涉仪的输出上端和干涉网络的第三输入端连接，第三波导延时环路中的第二延时波导的两端分别与第三MZ干涉仪的输入上端和干涉网络的第三输出端连接，第三MZ干涉仪的输入下端与第三主传输路径中的第一主传输波导的输出端连接，第三MZ干涉仪的输出下端与第三主传输路径中的第二主传输波导的输入端连接。
第四波导延时环路中的第一延时波导的两端分别与第四MZ干涉仪的输出上端和干涉网络的第四输入端连接，第四波导延时环路中的第二延时波导的两端分别与第四MZ干涉仪的输入上端和干涉网络的第四输出端连接，第四MZ干涉仪的输入下端与第四主传输路径中的第一主传输波导的输出端连接，第四MZ干涉仪的输出下端与第四主传输路径中的第二主传输波导的输入端连接。
波导延时环路对从MZ干涉仪的输出上端输出的光子进行延迟且波导延时环路对光子的延迟时间与单光源输出光子的周期保持一致,以保证单光子源下一周期输出的光子与从MZ干涉仪输入上端输入的光子（上一周期输入的经过幺正变换的光子）同时到达MZ干涉仪，然后在MZ干涉仪上发生干涉效应。需要注意的是，从第一MZ干涉仪输出上端输出的光子从干涉网络的第一输入端输入至干涉网络，经过幺正变换后，该光子不一定从干涉网络的第一输出端输出，而具体从哪个输出端输出与干涉网络的幺正操作相关。
本申请中MZ干涉仪包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器、第一相位调制器和第二相位调制器，如图2所示，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，第一相位调制器设置在第一50:50分束器的输入上端口处，第二相位调制器设置在干涉上臂上。
第一相位调制器和第二相位调制器用于根据实现不同的分束比调节入射其上的光子的相位。第一相位调制器和第二相位调制器优选为热光相位调制器，通过调制外加电流的方式直接加热光波导以改变温度从而改变光波导有效折射率，实现改变输入其上的光子或光脉冲的相位，从而改变输出的光强的变化，达到可调分束器的目的。第一相位调制器和第二相位调制器通过外置经典控制信号对各过程的光子相位进行调节达到对不同过程的光子实现不同的分束比。
需要注意的是，本申请中在同一个循环过程中，各条主传输路径上对应设置的各MZ干涉仪对输入其上的光子的分束比可以是不一致的，具体各个过程中MZ干涉仪的分束比可以在外部上位机等设备上进行设定，通过外置经典控制信号对不同过程中的光子实现相应的分束。
如在上位机上输入单光子源输出光子的周期T，也即是波导延时环路对输入光子的延时时间为T，假设单光子源分别在T0、T1和T2时刻输出光子，则T1= T0+T，T2= T1+T，分别设置在T0时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪的控制电流，T1时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪的控制电流，T2时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪的控制电流以及T3时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪的控制电流，其中T3= T2+T。通过外置时序控制信号，实现不同过程各MZ干涉仪对输入其上光子的分束比调控。
在上述实施例中，第一单光子源、第二单光子源、第三单光子源和第四单光子源第一次同时分别输出的光子为第一光子，位于四个主传输路径上的各MZ干涉仪调节输入其上第一光子的分束比，使接收的第一光子全部从MZ干涉仪的输出上端输出，此过程中四个MZ干涉仪实现的分束比完全相同，也即是在T0时刻设置的第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪的控制电流均相同。在下一周期过程中，第一单光子源、第二单光子源、第三单光子源和第四单光子源第二次（第二周期）同时分别输出的光子为第二光子，则第一主传输路径上的第二光子和从第一MZ干涉仪输入上端输入的光子再同时输入至第一MZ干涉仪并在第一MZ干涉仪上发生干涉，第二主传输路径上的第二光子和从第二MZ干涉仪输入上端输入的光子再同时输入至第二MZ干涉仪并在第二MZ干涉仪上发生干涉，第三主传输路径上的第二光子和从第三MZ干涉仪输入上端输入的光子再同时输入至第三MZ干涉仪并在第三MZ干涉仪上发生干涉，第四主传输路径上的第二光子和从第四MZ干涉仪输入上端输入的光子再同时输入至第四MZ干涉仪并在第四MZ干涉仪上发生干涉，此过程下第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪对输入其上的光子的分束比可以完全不同。为了便于理解，这里特别说明的是MZ干涉仪对单个光子的分束比为单个光子从MZ干涉仪输出上端输出的概率/单个光子从MZ干涉仪输出下端输出的概率。
本申请中的干涉网络由(M-1)×(M/2)个MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现M模式的幺正变换。假设干涉网络扩展系统包括6条主传输路径时，则干涉网络由15个MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现6模式的幺正变换，具有6个输入端和6个输出端，结构如图3所示。干涉网络接收主传输路径上MZ干涉仪输出上端输出的光子，并对接收的所有光子幺正变换，实现将不同传输路径上的光子在干涉网络上干涉。
当干涉网络扩展系统包括4条主传输路径时，则在该实施例下干涉网络由6个MZ干涉仪交叉级联组成，具有4个输入端和4个输出端，结构如图4所示。具体地，第一MZ干涉仪输出上端输出的光子通过第一波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第一输入端输入；第二MZ干涉仪输出上端输出的光子通过第二波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第二输入端输入；第三MZ干涉仪输出上端输出的光子通过第三波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第三输入端输入；第四MZ干涉仪输出上端输出的光子通过第四波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第四输入端输入；干涉网络的四个输入端接收的光子在干涉网络上进行幺正变换后从输出端输出。
在本申请的另一个实施例中，干涉网络扩展系统包括4条主传输路径和2个扩展模块，如图5所示，每个扩展模块包括4个MZ干涉仪、4个波导延时环路和一个干涉网络，扩展模块中的4个MZ干涉仪分别一一对应设置在4条主传输路径上，干涉网络具有4个输入端和4个输出端。干涉网络由6个MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现4模式的幺正变换。每条主传输路径由3个主传输波导组成，分别为第一主传输波导、第二主传输波导和第三主传输波导。
为了便于更好的理解，在上个实施例的命名基础上，本实施中将第二个扩展模块中分别设置在4条主传输路径上的4个MZ干涉仪分别命名为第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪和第八MZ干涉仪。第五MZ干涉仪设置在第一主传输路径上，第六MZ干涉仪设置在第二主传输路径上，第七MZ干涉仪设置在第三主传输路径上，第八MZ干涉仪设置在第四主传输路径上。与第五MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第五波导延时环路，与第六MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第六波导延时环路，与第七MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第七波导延时环路，与第八MZ干涉仪连接的波导延时环路命名为第八波导延时环路。
参考图5，第五MZ干涉仪的输入下端与第一MZ干涉仪的输出下端连接，其输出下端与第一主传输路径中的第三主传输波导的输入端连接，从第一MZ干涉仪输出下端输出的光子从第五MZ干涉仪的输入下端输入其上。第六MZ干涉仪的输入下端与第二MZ干涉仪的输出下端连接，其输出下端与第二主传输路径中的第三主传输波导的输入端连接，从第二MZ干涉仪输出下端输出的光子从第六MZ干涉仪的输入下端输入其上。第七MZ干涉仪的输入下端与第三MZ干涉仪的输出下端连接，其输出下端与第三主传输路径中的第三主传输波导的输入端连接，从第三MZ干涉仪输出下端输出的光子从第七MZ干涉仪的输入下端输入其上。第八MZ干涉仪的输入下端与第四MZ干涉仪的输出下端连接，其输出下端与第四主传输路径中的第三主传输波导的输入端连接，从第四MZ干涉仪输出下端输出的光子从第八MZ干涉仪的输入下端输入其上。
假设四个单光子源均输出三个周期的光子，在此实施例下，干涉网络扩展系统对输入光子调制的空间等效图参见图6所示。
假设单光子源分别在T0、T1和T2时刻输出光子，则T1= T0+T，T2= T1+T，分别设置在T0时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪的控制电流，T0时刻下四个MZ干涉仪的控制电流均相同；T1时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪、第四MZ干涉仪、第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪、第八MZ干涉仪的控制电流，其中第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪、第八MZ干涉仪的控制电流在T1时刻的控制电流均相同；T2时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪、第四MZ干涉仪、第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪、第八MZ干涉仪的控制电流；T3时刻第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪、第四MZ干涉仪、第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪、第八MZ干涉仪的控制电流，其中第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪、第四MZ干涉仪的控制电流均相同，以保证T3= T2+T；T4时刻第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪、第八MZ干涉仪的控制电流且控制电流均相同，其中T4= T3+T。通过外置时序控制信号，实现不同过程各MZ干涉仪对输入其上光子的分束比调控。
在T0时刻，第一单光子源、第二单光子源、第三单光子源和第四单光子源首次同时输出的光子，分别为第一光子11、第一光子12、第一光子13和第一光子14，四个第一光子分别通过相应的入射端口、第一主传输波导传输到相应的MZ干涉仪上。第一MZ干涉仪接收第一光子11并调节第一光子11的分束比，使第一光子11从第一MZ干涉仪的输出上端输出，第二MZ干涉仪接收第一光子12并调节第一光子12的分束比，使第一光子12从第二MZ干涉仪的输出上端输出，第三MZ干涉仪接收第一光子13并调节第一光子13的分束比，使第一光子13从第三MZ干涉仪的输出上端输出，第四MZ干涉仪接收第一光子14并调节第一光子14的分束比，使第一光子14从第一MZ干涉仪的输出上端输出。第一光子11通过干涉网络的第一输入端输入，第一光子12通过干涉网络的第二输入端输入，第一光子13通过干涉网络的第三输入端输入、第一光子14通过干涉网络的第四输入端输入，4个第一光子在干涉网络上实现幺正变换，经过幺正变换后的四个第一光子从干涉网络的四个输出端输出，这里需要注意的是，干涉网络四个输出端输出的光子和干涉网络输入端输入的光子并不完全是一一对应的关系，也有可能一个干涉网络的输出端输出2个或多个光子，而干涉网络的某个输出端并没有光子输出。
从干涉网络的第一输出端输出的第一光子通过第一波导延时环路的第二延时波导输入至第一MZ干涉仪的输入上端；从干涉网络的第二输出端输出的第一光子通过第二波导延时环路的第二延时波导输入至第二MZ干涉仪的输入上端；从干涉网络的第三输出端输出的第一光子通过第三波导延时环路的第二延时波导输入至第三MZ干涉仪的输入上端；从干涉网络的第四输出端输出的第一光子通过第四波导延时环路的第二延时波导输入至第四MZ干涉仪的输入上端。
在T1时刻，第一单光子源、第二单光子源、第三单光子源和第四单光子源同时输出第二周期的光子，分别为第二光子21、第二光子22、第二光子23和第二光子24，第二光子21和从第一MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至第一MZ干涉仪，第一MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从其输出上端输出并通过第一波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从其输出下端通过第一主传输路径中的第二主传输波导和第五MZ干涉仪的输入下端输入至第五MZ干涉仪。
第二光子22和从第二MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至第二MZ干涉仪，第二MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从其输出上端输出并通过第二波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从其输出下端通过第二主传输路径中的第二主传输波导和第六MZ干涉仪的输入下端输入至第六MZ干涉仪。
第二光子23和从第三MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至第三MZ干涉仪，第三MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从其输出上端输出并通过第三波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从其输出下端通过第三主传输路径中的第二主传输波导和第七MZ干涉仪的输入下端输入至第七MZ干涉仪。
第二光子24和从第四MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至第四MZ干涉仪，第四MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从其输出上端输出并通过第四波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从其输出下端通过第四主传输路径中的第二主传输波导和第八MZ干涉仪的输入下端输入至第八MZ干涉仪。
通过第一MZ干涉仪输出上端输出的光子、第二MZ干涉仪输出上端输出的光子、第三MZ干涉仪输出上端输出的光子和第四MZ干涉仪输出上端输出的光子再次同时输入至干涉网络，干涉网络对输入其上的光子实现幺正变换，经过幺正变换后的光子通过干涉网络的输出端再次输出。
在T2时刻，第一单光子源、第二单光子源、第三单光子源和第四单光子源同时输出第三周期的光子，分别为第三光子31、第三光子32、第三光子33和第三光子34。第三光子31和从第一MZ干涉仪的输入上端输入的光子同时输入至第一MZ干涉仪，第三光子32和从第二MZ干涉仪的输入上端输入的光子同时输入至第二MZ干涉仪，第三光子33和从第三MZ干涉仪的输入上端输入的光子同时输入至第三MZ干涉仪，第三光子34和从第四MZ干涉仪的输入上端输入的光子同时输入至第四MZ干涉仪，第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端通过相应主传输路径上的第二主传输波导传输至第二个扩展模块中的相应MZ干涉仪。
干涉网络对输入其上的光子再次实现幺正变换，经过幺正变换后的光子通过干涉网络的四个输出端输入至相应的MZ干涉仪，相应的MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子全部从MZ干涉仪的输出下端传输至第二个扩展模块中的相应MZ干涉仪。
由上述原理可知，对于第二个扩展模块，在T1时刻，第二个扩展模块开始接收来自第一个扩展模块输出的光子，在T4时刻第二个扩展模块把输入的全部光子输出，具体地第二扩展模块的工作过程和工作原理和第一个扩展模块完全相同，这里就不再进行赘述。但是需要再次提醒的是，在T1时刻，对于第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪和第八MZ干涉仪通过预先设置的控制电流的调控使输入其上的光子全部从输出上端输出。在T4时刻，对于第五MZ干涉仪、第六MZ干涉仪、第七MZ干涉仪和第八MZ干涉仪通过预先设置的控制电流的调控，使输入其上的光子全部从输出下端输出。
由图5和图6的实施例可知，通过对两个扩展模块的分时复用，从而将4进4出的干涉网络扩展系统等效为12进12出的干涉网络扩展系统，达到扩展的目的。
基于上述本申请实施例提供的一种干涉网络扩展系统，本申请实施例还对应提供了一种干涉网络扩展方法，如图7所示，所述方法包括：
S11:与主传输路径对应连接的外部单光子源通过对应入射端口同时向相应主传输路径上的MZ干涉仪输入第一光子，外部单光子源周期性输出光子且所有外部单光子源输出光子的周期均相同并设置为T。
由上述可知，外部单光子源的数量与设置的主传输路径数量一致，且与主传输路径上的MZ干涉仪具有一一对应关系。外部单光子源周期性输出光子且输出光子的周期与波导延时环路对光子的延时时间相同，均设置为T。每个单光子源首次输出的光子为第一光子，第二周期输出的光子为第二光子，第三周期输出的光子为第三光子……。由上述系统内容可知，这里主传输路径上的MZ干涉仪是指在主传输路径上，与每个入射端口相应连接的MZ干涉仪，也即是首个扩展模块中设置在主传输路径上的MZ干涉仪。
S12:位于主传输路径上的MZ干涉仪调节输入第一光子的分束比，使接收的第一光子全部从MZ干涉仪的输出上端输出，并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络。
为了保证所有单光子源首次输出的第一光子全部输入至扩展系统中的干涉网络，以在干涉网络上进行幺正变换，则位于主传输路径上的MZ干涉仪调节输入第一光子的分束比，使接收的第一光子全部从MZ干涉仪的输出上端输入至干涉网络。
S13:干涉网络对输入其上的所有第一光子实现幺正变换，经过幺正变换后的第一光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端，第一延时波导和第二延时波导对光子的总延时时间为T。
第一延时波导和第二延时波导对光子的总延时时间为T也即是波导延时环路对光子的延时时间为T，以保证从MZ干涉仪输入上端输入的光子与从MZ干涉仪的输入下端输入的下一周期的光子同时输入至MZ干涉仪。
S14:从MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与对应外部单光子源输出的下一周期的第二光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块。
当干涉网络系统只有一个扩展模块时，则从MZ干涉仪输出下端输出的光子直接输出至出射端口；当干涉网络系统包括至少2个扩展模块时，则从MZ干涉仪输出下端输出的光子传输至下一个扩展模块。
S15:干涉网络对输入其上的光子实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端。
S16:从MZ干涉仪输入上端输入的光子与对应外部单光子源输出的再下一周期的第三光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块。
S17:以此循环，直至外部单光子源输出的最后一个周期的光子与从MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块。
S18:干涉网络对输入其上的光子再次实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子全部从MZ干涉仪的输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块。
在本申请的一个实施例中，当干涉网络扩展系统包括4条主传输路径和1个扩展模块时，且4条主传输路径一一对应的外部单光子源均输出三个周期的光子，在此实施例下所述方法包括：
S21:第一单光子源向位于第一主传输路径上的第一MZ干涉仪输入第一光子，第二单光子源向位于第二主传输路径上的第二MZ干涉仪输入第一光子，第三单光子源向位于第三主传输路径上的第三MZ干涉仪输入第一光子，第四单光子源向位于第四主传输路径上的第四MZ干涉仪输入第一光子；第一单光子源、第二单光子源、第三单光子源和第四单光子源周期性输出光子且所有单光子源输出光子的周期均相同并设置为T。
S22:第一MZ干涉仪、第二MZ干涉仪、第三MZ干涉仪和第四MZ干涉仪调节第一光子的分束比，使接收的第一光子从其输出上端输出；第一MZ干涉仪输出上端输出的第一光子通过第一波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第一输入端输入至干涉网络；第二MZ干涉仪输出上端输出的第一光子通过第二波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第二输入端输入至干涉网络；第三MZ干涉仪输出上端输出的第一光子通过第三波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第三输入端输入至干涉网络；第四MZ干涉仪输出上端输出的第一光子通过第四波导延时环路中的第一延时波导，并从干涉网络的第四输入端输入至干涉网络。
S23:干涉网络对输入其上的所有第一光子实现幺正变换，经过幺正变换后的第一光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端，第一延时波导和第二延时波导对光子的总延时时间为T。
需要注意的是，从第一MZ干涉仪输出上端输出的光子从干涉网络的第一输入端输入至干涉网络，经过幺正变换后，该光子不一定从干涉网络的第一输出端输出，而具体从哪个输出端输出与干涉网络的幺正操作相关。
S24:从第一MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与第一单光子源第二周期输出的第二光子同时输入至第一MZ干涉仪，从第二MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与第二单光子源第二周期输出的第二光子同时输入至第二MZ干涉仪，从第三MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与第三单光子源第二周期输出的第二光子同时输入至第三MZ干涉仪，从第四MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与第四单光子源第二周期输出的第二光子同时输入至第四MZ干涉仪。第一MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过第一波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至相应的出射端口； 第二MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过第二波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至相应的出射端口；第三MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过第三波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至相应的出射端口；第四MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过第四波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至相应的出射端口。
S25:干涉网络对输入其上的光子实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端。
S26: 从第一MZ干涉仪输入上端输入的光子与第一单光子源第三周期输出的第三光子同时输入至第一MZ干涉仪，从第二MZ干涉仪输入上端输入的光子与第二单光子源第三周期输出的第三光子同时输入至第二MZ干涉仪，从第三MZ干涉仪输入上端输入的光子与第三单光子源第三周期输出的第三光子同时输入至第三MZ干涉仪，从第四MZ干涉仪输入上端输入的光子与第四单光子源第三周期输出的第三光子同时输入至第四MZ干涉仪。四个MZ干涉仪分别调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过相应的波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口。
S27:干涉网络对输入其上的光子再次实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪，四个MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子全部从MZ干涉仪的输出下端传输至出射端口，完成扩展。
基于上述本申请系统和方法，实现了光子在MZ干涉仪和在干涉网络上的两种干涉过程，并且通过对干涉网络的分时复用，在功能上实现了更大规模的干涉和更加复杂的幺正，相当于扩展了干涉网络的输入和输出端口的数量；因此在同样的幺正编码需求下，本申请可以采用更少的器件和更小的空间实现，从而降低了芯片的面积，节省了量子计算所消耗的资源和成本。
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 (7)

1.一种干涉网络扩展系统，其特征在于，包括M条主传输路径和N个扩展模块，M和N均为正整数且M≥2，所述扩展模块阵列设置在所述主传输路径上；
每条所述主传输路径的两端分别设置入射端口和出射端口，每条所述主传输路径由N+1个主传输波导组成，每条所述主传输路径对应连接一个外部单光子源，所述主传输路径的入射端口用于接收外部单光子源输出的光子；
每个所述扩展模块包括M个MZ干涉仪、M个波导延时环路和一个干涉网络，所述MZ干涉仪用于调节输入光子的分束比，具有两个输入端和两个输出端；M个所述MZ干涉仪分别一一对应设置在M条主传输路径上；
所述干涉网络用于对输入其上的光子实现幺正变换，具有M个输入端和M个输出端；
每个所述波导延时环路由第一延时波导和第二延时波导组成，所述第一延时波导的两端分别与所述MZ干涉仪的输出上端和所述干涉网络的一个输入端连接，所述第二延时波导的两端分别与所述MZ干涉仪的输入上端和所述干涉网络的一个输出端连接，所述MZ干涉仪的输入下端与一个所述主传输波导的一端连接，所述MZ干涉仪的输出下端与另一个所述主传输波导的一端连接；所述波导延时环路用于对从所述MZ干涉仪的输出上端输出的光子进行延迟且所述波导延时环路对光子的延迟时间与所述单光源输出光子的周期保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种干涉网络扩展系统，其特征在于，所述干涉网络由(M-1)×(M/2)个所述MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现M模式的幺正变换。
3.根据权利要求1所述的一种干涉网络扩展系统，其特征在于，所述主传输路径、所述扩展模块、所述入射端口和所述出射端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。
4.根据权利要求1所述的一种干涉网络扩展系统，其特征在于，所述MZ干涉仪包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器、第一相位调制器和第二相位调制器，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，第一相位调制器设置在第一50:50分束器的输入上端口处，第二相位调制器设置在干涉上臂上。
5.根据权利要求1所述的一种干涉网络扩展系统，其特征在于，所述干涉网络扩展系统包括4条主传输路径和2个扩展模块，每个扩展模块包括4个MZ干涉仪、4个波导延时环路和一个干涉网络，所述扩展模块中的4个所述MZ干涉仪分别一一对应设置在4条主传输路径上，所述干涉网络具有4个输入端和4个输出端。
6.根据权利要求5所述的一种干涉网络扩展系统，其特征在于，所述干涉网络由6个所述MZ干涉仪交叉级联组成，并按照方型连接实现4模式的幺正变换。
7.一种干涉网络扩展方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至6任一项所述的干涉网络扩展系统，所述方法包括：
与主传输路径对应连接的外部单光子源通过对应入射端口同时向相应主传输路径上的MZ干涉仪输入第一光子，外部单光子源周期性输出光子且所有外部单光子源输出光子的周期均相同并设置为T；
位于主传输路径上的MZ干涉仪调节输入第一光子的分束比，使接收的第一光子全部从MZ干涉仪的输出上端输出，并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络；
干涉网络对输入其上的所有第一光子实现幺正变换，经过幺正变换后的第一光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端，第一延时波导和第二延时波导对光子的总延时时间为T；
从MZ干涉仪输入上端输入的第一光子与对应外部单光子源输出的下一周期的第二光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块；
干涉网络对输入其上的光子实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪的输入上端；
从MZ干涉仪输入上端输入的光子与对应外部单光子源输出的再下一周期的第三光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块；
以此循环，直至外部单光子源输出的最后一个周期的光子与从MZ干涉仪输入上端输入的光子同时输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子以一定概率从输出上端输出并通过波导延时环路的第一延时波导输入至干涉网络，以另一概率从输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块；
干涉网络对输入其上的光子再次实现幺正变换，经过幺正变换后的光子分别通过波导延时环路的第二延时波导输入至相应的MZ干涉仪，MZ干涉仪调节输入光子的分束比，使接收的光子全部从MZ干涉仪的输出下端传输至出射端口或传输至下一个扩展模块。
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