CN117930561B - 一种高维纠缠光源及高维纠缠态的产生方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高维纠缠光源及高维纠缠态的产生方法，高维纠缠光源包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导，在本申请中初态量子态产生模块将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且不同光束与第一束光的光强比与初态量子态产生模块相应输出端口输出量子态的幅度值相关，也即是通过初态量子态产生模块对泵浦光进行量子态的预调制，然后通过子空间编码模块对纠缠双光子进行维度拓展和调制实现量子纠缠态子空间的重配置，最后通过H门操作模块层层约化使输出的量子态的路径为M条，实现了拓展量子态维度的同时又极大地减少了量子态的输出路径。

Description

一种高维纠缠光源及高维纠缠态的产生方法

技术领域

本申请属于量子信息技术领域，具体而言，涉及一种高维纠缠光源及高维纠缠态的产生方法。

背景技术

高维量子纠缠源是量子计算、量子机器学习、量子测量和量子通信的重要基础资源，基于高维量子纠缠源可以实现诸多功能，如量子编码空间的扩展、通信信道容量的增加等。

支持向量机是最直观且易于理解的监督式机器学习模型之一。量子支持向量机相对经典向量机可以获得指数级加速且已被实验演示。而实现和利用量子支持向量机，需要特殊的高维量子纠缠态，在这种高维量子纠缠态中，不同量子位的维度不同且要求特定的量子位的子空间量子态可以精确任意调控。现有技术中常利用原子自旋编码的方式实现对量子态的调控，然而这种方式需要将系统保持在接近绝对零度的超低温度环境中，且容易发生退相干，难以维持和传输，而且维持低温的设备成本较高，限制了其实用性和可拓展性。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种高维纠缠光源及高维纠缠态的产生方法，基于路径编码和层层约化的方式在实现量子态维度拓展的同时减少输出量子态的路径，其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种高维纠缠光源，包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导；

初态量子态产生模块具有N组输出端口，用于将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且第i束光与第一束光的光强比为：1，其中N=2ⁿ,n和i均为任意正整数且/>，/>表示初态量子态产生模块第i组输出端口输出量子态的幅度值；一对纠缠光子从其中一组输出端口输出，每组输出端口包括上输出子端口和下输出子端口，一对纠缠光子的波长分别为/>和/>且波长为/>的光子从上输出子端口输出，波长为/>的光子从下输出子端口输出，N组输出端口中的上输出子端口与N个传输直波导的输入端一一对应连接，第一组输出端口中的下输出子端口与传输连接波导连接，另（N-1）组输出端口中的下输出子端口与（N-1）个M维编码结构一一对应连接；第一出射模块包括N个出射端口，N个传输直波导的输出端与第一出射模块中的N个出射端口一一对应连接；

子空间编码模块用于对其接收的光子进行量子态扩展并编码为M维量子态，包括（N-1）个M维编码结构，每个M维编码结构由若干个MZ干涉环级联组成并呈树状结构，树状结构的第一级设置1个MZ干涉环，第二级设置2个MZ干涉环，第三级设置4个MZ干涉环，以此类推，第m级设置2^m-1个MZ干涉环，每个M维编码结构具有M个输出端，其中M=2^m，m为任意正整数；

H门操作模块用于层层约化子空间编码模块和传输连接波导输出的量子态，由n级H门组连接组成且第一级H门组包括N/2个H门操作单元，第二级H门组包括N/2²个H门操作单元，以此类推，第n级设置N/2ⁿ个H门操作单元，每个H门操作单元包括M个相互独立的50:50分束器，每个50:50分束器用于对接收的量子态做H门操作；

第一级H门组中的第一个H门操作单元用于对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，且传输连接波导的输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中的第一个50:50分束器的输入上端连接，第一个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；第一级H门组中的第二个H门操作单元用于对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，且第二个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接；第三个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；以此类推，下一级H门组中的H门操作单元用于按序依次对上一级H门组中相邻的两个H门操作单元输出的量子态约化，且相邻两个H门操作单元中的前一个H门操作单元包括的各50：50分束器的输出上端与下一级H门组中相应H门操作单元包括的各50：50分束器的输入上端一一对应连接，后一个H门操作单元包括的各50：50分束器的输出上端与下一级H门组中相应H门操作单元包括的各50：50分束器的输入下端一一对应连接；最后一级H门组中的H门操作单元用于对上一级H门组中两个H门操作单元输出的量子态约化；第二出射模块包括M个出射端口，第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端与第二出射模块中的M个出射端口一一对应连接。

进一步地，初态量子态产生模块包括分束模块、N个双光子产生结构和N个路径分配单元，分束模块具有N个输出端，用于将接收的泵浦光分为N束，分束模块的N个输出端与N个双光子产生结构的输入端一一对应连接，N个双光子产生结构的输出端与N个路径分配模块的输入端一一对应连接，双光子产生结构基于接收的分束光概率性产生纠缠光子对且N个双光子产生结构产生一对纠缠光子，每个路径分配模块具有两个输出端，用于将接收的一对纠缠光子分离使波长为的光子从其输出上端输出，波长为/>的光子从其输出下端输出。

进一步地，MZ干涉环由第一50:50分束器、第二50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、环内相位调制器、环外相位调制器组成，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端和第二50:50分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端和第二50:50分束器的输入下端，环内相位调制器设置于干涉上臂上，环外相位调制器设置于第二50:50分束器的输出上端口处。

进一步地，初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

优选地，分束模块为MMI型分束器或由n级MZ干涉仪级联组成且每级MZ干涉仪的个数为2^n-1。

优选地，路径分配模块为波分解复用器或光滤波器。

进一步地，高维纠缠光源还包括第一滤波模块和第二滤波模块，第一滤波模块包括N个滤波器，第二滤波模块包括M个滤波器，N个传输直波导的输出端与第一滤波模块中N个滤波器的输入端一一对应连接，第一滤波模块中N个滤波器的输出端与第一出射模块中N个出射端口一一对应连接，第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端与第二滤波模块中M个滤波器的输入端一一对应连接，第二滤波模块中M个滤波器的输出端与第二出射模块中M个出射端口一一对应连接，每个滤波器用于滤除残余的泵浦光。

第二方面，本申请公开了一种高维纠缠态的产生方法，所述方法应用于上述的高维纠缠光源，高维纠缠光源包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导，所述方法包括：

初态量子态产生模块将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且第i束光与第一束光的光强比为：1，一对纠缠光子从初态量子态产生模块其中一组输出端口输出且波长为/>的光子从相应组输出端口的上输出子端口输出，波长为/>的光子从相应组输出端口的下输出子端口输出；

从上输出子端口输出的波长为的光子传输至相应的传输直波导并最终从第一出射模块中输相应的出射端口输出；从下输出子端口输出的波长为/>的光子传输至传输连接波导或子空间编码模块；

子空间编码模块对其接收的光子进行量子态扩展并编码为M维量子态；

第一级H门组中的第一个H门操作单元对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，且传输连接波导输出的光子从相应50:50分束器的输入上端输入，第一个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；50：50分束器对接收的光子进行H门操作且从其输出上端输出的光子传输至下一级H门组；第一级H门组中的第二个H门操作单元对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，且第二个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入上端输入，第三个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；以此类推，下一级H门组中的H门操作单元按序依次对上一级H门组中相邻的两个H门操作单元输出的量子态进行约化，且两个H门操作单元中的前一个H门操作单元输出的光子从相应50：50分束器的输入上端输入，后一个H门操作单元输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；直至最后一级H门组中的H门操作单元完成对上一级H门组中两个H门操作单元输出的量子态约化，从最后一级H门组中各50:50分束器输出上端输出的光子传输至第二出射模块中相应的出射端口。

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：

本申请提供了一种高维纠缠光源及高维纠缠态的产生方法，高维纠缠光源包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导，在本申请中初态量子态产生模块将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且不同光束与第一束光的光强比与初态量子态产生模块相应输出端口输出量子态的幅度值相关，也即是通过初态量子态产生模块对外部泵浦光进行量子态的预调制，然后再通过子空间编码模块对纠缠双光子进行维度拓展和调制实现量子纠缠态子空间的重配置，最后通过H门操作模块层层约化使输出的量子态的路径为M条，实现了拓展量子态维度的同时又极大地减少了量子态的输出路径。本申请采用路径编码方式，具有强可拓展性，子空间编码模块中每个M维编码结构都是可调控的，也即是每个M维编码结构输出的量子态都是可编程重新配置的，因此本申请实现了纠缠态整体幅值调控和子空间编码模块输出量子态的任意精确调控。此外，本申请无需低温设备支持，可以基于成熟的半导体芯片制作工艺实现片上集成。

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一种高维纠缠光源的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的初态量子态产生模块的结构示意图；

图3为本申请基于图2实施例提供的一种高维纠缠光源的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的MZ干涉环的结构示意图；

图5为本申请一个实施例提供的一种高维纠缠光源的结构示意图；

图6为本申请另一实施例提供的一种高维纠缠光源的结构示意图；

图7为本申请再一实施例提供的一种高维纠缠光源的结构示意图。

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。

实现和利用量子支持向量机，需要特殊的高维量子纠缠态，在这种高维量子纠缠态中，不同量子位的维度不同且要求特定的量子位的子空间量子态可以精确任意调控。现有技术中常利用原子自旋编码的方式实现对量子态的调控，然而这种方式需要将系统保持在接近绝对零度的超低温度环境中，且容易发生退相干，难以维持和传输，而且维持低温的设备成本较高，限制了其实用性和可拓展性。

基于此，本申请公开了一种高维纠缠光源，如图1所示，包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导。

本申请中初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

具体地，初态量子态产生模块具有N组输出端口，用于将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且第i束光与第一束光的光强比为：1，其中N=2ⁿ,n和i均为任意正整数且/>，/>表示初态量子态产生模块第i组输出端口输出量子态的幅度值；一对纠缠光子从其中一组输出端口输出，每组输出端口包括上输出子端口和下输出子端口，一对纠缠光子的波长分别为/>和/>且波长为/>的光子从上输出子端口输出，波长为/>的光子从下输出子端口输出，N组输出端口中的上输出子端口与N个传输直波导的输入端一一对应连接，第一组输出端口中的下输出子端口与传输连接波导连接，另（N-1）组输出端口中的下输出子端口与（N-1）个M维编码结构一一对应连接；第一出射模块包括N个出射端口，N个传输直波导的输出端与第一出射模块中的N个出射端口一一对应连接。

在本申请中，外部输入的泵浦光为脉冲光，初态量子态产生模块将接收的一束脉冲光分为N束，N=2ⁿ，n为任意正整数，且N束光的光强与预设的初态量子态产生模块相应输出端口输出量子态的幅度值相关。具体地，第i束光与第一束光的光强比为：1，/>为初态量子态产生模块第i组输出端口输出量子态的幅度值，初态量子态产生模块第一组输出端口输出量子态的幅度值/>为1。初态量子态产生模块基于一束泵浦光产生的一对纠缠光子从其其中一组输出端口输出，且波长为/>的光子从上输出子端口输出，波长为/>的光子从下输出子端口输出。

在图1中n=2，N=4，初态量子态产生模块具有4组输出端口，初态量子态产生模块将接收的泵浦光分为4束，分别为第一束光、第二束光、第三束光、第四束光。初态量子态产生模块的四组输出端口分别为第一组输出端口、第二组输出端口、第三组输出端口和第四组输出端口。第一束光与第一组输出端口对应、第二束光与第二组输出端口对应、第三束光与第三组输出端口对应、第四束光与第四组输出端口对应。第一组输出端口输出量子态的幅度值为1。第二束光与第一束光的光强比为/>：1，/>为初态量子态产生模块第二组输出端口输出量子态的幅度值。第三束光与第一束光的光强比为/>：1，/>为初态量子态产生模块第二组输出端口输出量子态的幅度值。第四束光与第一束光的光强比为/>：1，/>为初态量子态产生模块第二组输出端口输出量子态的幅度值。

在本申请的一个实施例中，初态量子态产生模块包括分束模块、N个双光子产生结构和N个路径分配单元，分束模块具有N个输出端，用于将接收的泵浦光分为N束，分束模块的N个输出端与N个双光子产生结构的输入端一一对应连接，N个双光子产生结构的输出端与N个路径分配模块的输入端一一对应连接，双光子产生结构基于接收的分束光概率性产生纠缠光子对且N个双光子产生结构产生一对纠缠光子，每个路径分配模块具有两个输出端，用于将接收的一对纠缠光子分离使波长为的光子从其输出上端输出，波长为/>的光子从其输出下端输出。

具体地，当N=4时，如图2所示，初态量子态产生模块包括分束模块、4个双光子产生结构和4个路径分配单元，分束模块具有4个输出端，每个输出端对应连接一个双光子产生结构，分束模块将接收的泵浦光分为4束，四束光分别一一对应输入至四个双光子产生结构，每个双光子产生结构基于接收的分束光概率性产生纠缠光子对且四个双光子产生结构产生一对纠缠光子，每个双光子产生结构对应连接一个路径分配单元，路径分配模块接收相应连接的双光子产生结构产生的一对纠缠光子并将波长为的光子从其输出上端输出，波长为/>的光子从其输出下端输出。这里需要注意的是，每个双光子产生结构基于接收的分束光概率性产生纠缠光子对，但是在本申请中，通过后选择过程只筛选出四个双光子产生结构产生一对纠缠光子的情况，其它情况被后选择过程舍弃视为无效产生过程，不在本申请的考虑范围。

本申请中的双光子产生结构可以为螺旋形波导线圈、氮化硅微环结构或周期性极化晶体波导中的一种，基于非线性过程产生纠缠光子对。第一束光传输至第一个双光子产生结构，若第一个双光子产生结构产生纠缠光子对则输入至第一个路径分配模块，以此类推。基于上述内容可知，第一个路径分配模块输出量子态的幅度值为1，第二个路径分配模块输出量子态的幅度值为，第三个路径分配模块输出量子态的幅度值为/>，第四个路径分配模块输出量子态的幅度值为/>。也即是通过分束模块的分束作用，第二束光与第一束光的光强比为/>：1，第三束光与第一束光的光强比为/>：1，第四束光与第一束光的光强比为/>：1。各路径分配模块输出量子态的幅度值是确定的，基于各个路径分配模块输出量子态的幅度值调控分束模块，使输出的四束光满足相应的光强比。本申请中的分束模块为MMI型分束器或由n级MZ干涉仪级联组成且每级MZ干涉仪的个数为2^n-1。初态量子态产生模块中路径分配模块具体可以为波分解复用器或光滤波器。

当分束模块由n级MZ干涉仪级联组成时，通过分束作用产生四束分束光，也即是N=4时，则此实施例下，参考图2，分束模块由2级MZ干涉仪级联组成，第一级MZ干涉仪的个数为1个，第二级MZ干涉仪的个数为2个。

子空间编码模块用于对其接收的光子进行量子态扩展并编码为M维量子态，包括（N-1）个M维编码结构，每个M维编码结构由若干个MZ干涉环级联组成并呈树状结构，树状结构的第一级设置1个MZ干涉环，第二级设置2个MZ干涉环，第三级设置4个MZ干涉环，以此类推，第m级设置2^m-1个MZ干涉环，每个M维编码结构具有M个输出端，其中M=2^m，m为任意正整数。

参见图1和图3，子空间编码模块包括3个四维编码结构，每个四维编码结构具有4个输出端且由3个MZ干涉环级联组成并呈树状结构，树状结构的第一级设置1个MZ干涉环，第二级设置2个MZ干涉环。在图1和图3实施例条件下，初态量子态产生模块第二组输出端口中的下输出子端口与第一个四维编码结构的输入端连接，第一个四维编码结构将初态量子态产生模块第二组输出端口中下输出子端口输出的量子态扩展为四维；初态量子态产生模块第三组输出端口中的下输出子端口与第二个四维编码结构的输入端连接，第二个四维编码结构将初态量子态产生模块第三组输出端口中下输出子端口输出的量子态扩展为四维；初态量子态产生模块第三组输出端口中的下输出子端口与第三个四维编码结构的输入端连接，第三个四维编码结构将初态量子态产生模块第四组输出端口中下输出子端口输出的量子态扩展为四维。

具体地，在一个实施例中，MZ干涉环由第一50:50分束器、第二50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、环内相位调制器、环外相位调制器组成，如图4所示，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端和第二50:50分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端和第二50:50分束器的输入下端，环内相位调制器设置于干涉上臂上，环外相位调制器设置于第二50:50分束器的输出上端口处。

本申请中，MZ干涉环中的环内相位调制器用于调制幅值，环外相位调制器用于调制相位，通过对两个相位调制器的调控实现对量子态的维度拓展和对输出量子态的任意精确调制。

基于上述结构可知，子空间编码模块共有（N-1）×M个输出端，为了减少光源系统的输出端以及约化掉不必要的信息，本申请采用H门操作模块实现这一过程。

H门操作模块用于层层约化子空间编码模块和传输连接波导输出的量子态，由n级H门组连接组成且第一级H门组包括N/2个H门操作单元，第二级H门组包括N/2²个H门操作单元，以此类推，第n级设置N/2ⁿ个H门操作单元，每个H门操作单元包括M个相互独立的50:50分束器，每个50:50分束器用于对接收的量子态做H门操作。这里需要提醒的是，本申请中50:50分束器的输出下端为无效输出端。

第一级H门组中的第一个H门操作单元用于对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，且传输连接波导的输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中的第一个50:50分束器的输入上端连接，第一个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；第一级H门组中的第二个H门操作单元用于对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，且第二个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接；第三个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；以此类推，下一级H门组中的H门操作单元用于按序依次对上一级H门组中相邻的两个H门操作单元输出的量子态约化，且相邻两个H门操作单元中的前一个H门操作单元包括的各50：50分束器的输出上端与下一级H门组中相应H门操作单元包括的各50：50分束器的输入上端一一对应连接，后一个H门操作单元包括的各50：50分束器的输出上端与下一级H门组中相应H门操作单元包括的各50：50分束器的输入下端一一对应连接；最后一级H门组中的H门操作单元用于对上一级H门组中两个H门操作单元输出的量子态约化；第二出射模块包括M个出射端口，第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端与第二出射模块中的M个出射端口一一对应连接。

具体地，传输连接波导的输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中的第一个50:50分束器的输入上端连接；第一个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；第二个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接；第三个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接，以此类推，第N-2个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第N/2个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接，第N-1个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第N/2个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接。

第一级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接，第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；以此类推，第一级H门组中第（N/2）-1个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中第N/4个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接，第一级H门组中第N/2个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中第N/4个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接。

以此类推，第n-1级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输出上端与第n级H门组中的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接，第n-1级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输出上端与第n级H门组中的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接。

这里值得注意的是，第n-1级H门组中共2个H门操作单元，第n级H门组中只有一个H门操作单元，因此在第n-1级H门组中第一个H门操作单元中各50:50分束器的输出上端与第n级H门组中各50:50分束器的输入上端一一对应连接，第n-1级H门组中第二个H门操作单元中各50:50分束器的输出上端与第n级H门组中各50:50分束器的输入下端一一对应连接，第n级H门组的输出端共M个，对应第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端。

参见图1和图3，H门操作模块由2级H门组连接组成且第一级H门组包括2个H门操作单元、第二级H门组包括1个H门操作单元。第一级H门组中的第一个H门操作单元对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，第一级H门组中的第二个H门操作单元对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，第二级H门组中的H门操作单元对第一级H门组中的两个H门操作单元输出的量子态进行约化。

细化而言，传输连接波导的输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中的第一个50:50分束器的输入上端连接；第一个四维编码结构的4个输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中4个50:50分束器的输入下端一一对应连接。第二个四维编码结构的4个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元中的4个50:50分束器的输入上端一一对应连接；第三个四维编码结构的4个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元中4个50:50分束器的输入下端一一对应连接。第一级H门组中第一个H门操作单元中4个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中4个50:50分束器的输入上端一一对应连接，第一级H门组中第二个H门操作单元中4个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中4个50:50分束器的输入下端一一对应连接。

为了滤除掉残余的泵浦光，在本申请的另一个实施例中，如图5所示，高维纠缠光源还包括第一滤波模块和第二滤波模块，第一滤波模块包括N个滤波器，第二滤波模块包括M个滤波器，N个传输直波导的输出端与第一滤波模块中N个滤波器的输入端一一对应连接，第一滤波模块中N个滤波器的输出端与第一出射模块中N个出射端口一一对应连接，第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端与第二滤波模块中M个滤波器的输入端一一对应连接，第二滤波模块中M个滤波器的输出端与第二出射模块中M个出射端口一一对应连接，每个滤波器用于滤除残余的泵浦光。当N=4,M=4时，则第一滤波模块和第二滤波器均包括4个滤波器。

在此实施例下，第一出射模块和第二出射模块中的每个出射端口前都对应设置一个滤波器。因此基于H门操作模块的层层约化作用，大大减小了所需滤波器的数量。

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合图3对此实施例下产生高维纠缠态的过程和原理进行阐述。

首先，通过初态量子态产生模块中的分束模块将接收的一个路径的量子态调制为四个路径的叠加态，从分束模块输出的量子态为：

其中，，/>表示初态量子态产生模块第i组输出端口输出量子态的幅度值，/>。/>、/>、/>和/>分别一一对应4个双光子产生结构输入端的量子态。

四个路径的分束光分别传输至相应的双光子产生结构，产生一对纠缠光子对，波长为的光子从相应组输出端口中的上输出子端口输入至相应传输直波导，波长为/>的光子从第一组输出端口中的下输出子端口输入至传输连接波导或从相应组输出端口中的下输出子端口输入至相应的四维编码结构中，则从初态量子态产生模块输出的量子态为：

为了方便表示，用1表示，同时也表示第一位量子态；/>用2表示同时也表示第二位量子态，则：

第一个四维编码结构将输入的量子态扩展为四维编码并将拓展后的四维编码调制为，第二个四维编码结构将输入的量子态扩展为四维编码并将拓展后的四维编码调制为/>、第三个四维编码结构对输入的量子态拓展为四维编码并将扩展后的四维编码调制为/>，这里量子态的下标3表示第三位量子态，则：

式中，、/>、/>和/>对应表示四维编码结构四个输出端的量子态；/>、/>、/>、/>相应表示第一个四维编码结构中第一个输出端、第二个输出端、第三个输出端和第四个输出端输出量子态的概率幅，/>、/>、/>、/>相应表示第二个四维编码结构中第一个输出端、第二个输出端、第三个输出端和第四个输出端输出量子态的概率幅，/>、/>、/>、/>相应表示第三个四维编码结构中第一个输出端、第二个输出端、第三个输出端和第四个输出端输出量子态的概率幅。

这里需要提醒的是，传输连接波导接收的量子态同样可以被扩展为四位编码，但因其输出端只保留态，因此只需一个确定性的输出端，可将其它三维量子态的结构省略，只需一个传输连接波导即可实现，则在式中：/>，因为只有一个确定性的输出端，则/>=/>=/>= 0，/>=1，因此，同样地，式中下标3表示第三位量子态。

则整体量子态演化为：

通过H门操作模块对第二位量子态进行层层门操作，把第二位量子态约化，以减少输出量子态的路径。参见图3，首先通过第一级H门组操作，则：

；/>；/>；/>

从H门操作模块中第一级H门组输出的量子态演化为：

/>

然后通过第二级H门组操作，则：

/>

这里需要提醒的是，各个50:50分束器的输出下端均为无效输出端，则第二级H门组输入端的量子态为：

经过第二级H门组门操作后，其输出端的量子态演化为：

因为各级H门组中50:50分束器的输出下端为无效输出端，则最终输出的量子态为：

由上述公式可知，经过本申请的高维纠缠光源，其产生高维纠缠态的概率为1/4=1/2²。且最终输出的量子态与子空间编码模块中各四维编码结构各输出量子态的概率幅相关，可通过对每个四维编码结构进行调制实现子空间编码模块输出量子态的任意精确调控。

基于上述推导过程可知，当H门组有n级时，也即是初态量子态产生模块具有N组输出端口，通过初态量子态产生模块中的分束模块将接收的一个路径的量子态调制为N个路径的叠加态，从分束模块输出的量子态为：

，其中/>且/>=1，

则从分束模块输出的量子态为：

从初态量子态产生模块输出的量子态为：

输入至H门操作模块的量子态为：

经过H门操作模块对第二位量子态进行n级门操作，把第二位量子态层层约化后，从H门操作模块最终输出的量子态为：

由上述公式可知，本申请产生高维纠缠态的概率为。

在本申请的另一个实施例中，设置N=8、M=4，则高维纠缠光源的结构如图6所示，初态量子态产生模块具有8组输出端口，将外部输入的泵浦光分为8束光并基于8束光产生一对纠缠光子对。子空间编码模块包括7个四维编码结构，每个四维编码结构具有4个输出端且由3个MZ干涉环级联组成并呈树状结构，树状结构的第一级设置1个MZ干涉环，第二级设置2个MZ干涉环，每个四维编码结构具有4个输出端。H门操作模块由3级H门组连接组成，第一级H门组包括4个H门操作单元、第二级H门组包括2个H门操作单元、第三级H门组包括1个H门操作单元。

在此实施例下，第一级H门组中的第一个H门操作单元对传输连接波导和第一个四维编码结构输出的量子态约化，第一级H门组中的第二个H门操作单元对第二和第三个四维编码结构输出的量子态约化，第一级H门组中的第三个H门操作单元对第四和第五个四维编码结构输出的量子态约化，第一级H门组中的第四个H门操作单元对第六和第七个四维编码结构输出的量子态约化。

第二级H门组中的第一个H门操作单元对第一级H门组中的第一个H门操作单元和第二个H门操作单元输出的量子态约化；第二级H门组中的第二个H门操作单元对第一级H门组中的第三个H门操作单元和第四个H门操作单元输出的量子态约化。

第三级H门组中的H门操作单元对第二级H门组中的两个H门操作单元输出的量子态约化，最终输出的量子态具有四条路径且基于此实施例获取的高维纠缠态的概率为1/8。

在本申请的再一实施例中，如图7所示，N=4、M=8，则初态量子态产生模块具有4组输出端口，将外部输入的泵浦光分为4束光基于4束光产生一对纠缠光子对。子空间编码模块包括3个八维编码结构，每个八维编码结构具有8个输出端且由7个MZ干涉环级联组成并呈树状结构，树状结构的第一级设置1个MZ干涉环，第二级设置2个MZ干涉环，第三级设置4个MZ干涉环，每个八维编码结构具有8个输出端。H门操作模块由2级H门组连接组成，第一级H门组包括2个H门操作单元、第二级H门组包括1个H门操作单元。每个H门操作单元包括8个相互独立的50:50分束器，每个50:50分束器对接收的量子态做H门操作。

在此实施下，第一级H门组中的第一个H门操作单元对传输连接波导和第一个八维编码结构输出的量子态约化，第一级H门组中的第二个H门操作单元对第二和第三个八维编码结构输出的量子态约化。第二级H门组中的H门操作单元对第一级H门组中的两个H门操作单元输出的量子态进行约化。最终输出的量子态具有八条路径且基于此实施例获取的高维纠缠态的概率为1/4。

具体地，传输连接波导的输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中的第一个50:50分束器的输入上端连接；第一个四维编码结构的8个输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中8个50:50分束器的输入下端一一对应连接。第二个四维编码结构的8个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元中的8个50:50分束器的输入上端一一对应连接；第三个四维编码结构的8个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元中8个50:50分束器的输入下端一一对应连接。第一级H门组中第一个H门操作单元中8个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中8个50:50分束器的输入上端一一对应连接，第一级H门组中第二个H门操作单元中8个50:50分束器的输出上端与第二级H门组中8个50:50分束器的输入下端一一对应连接。

基于上述本申请实施例提供的高维纠缠光源，本申请还对应提供一种高维纠缠态的产生方法，所述方法包括：

初态量子态产生模块将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且第i束光与第一束光的光强比为：1，一对纠缠光子从初态量子态产生模块其中一组输出端口输出且波长为/>的光子从相应组输出端口的上输出子端口输出，波长为/>的光子从相应组输出端口的下输出子端口输出。

从上输出子端口输出的波长为的光子传输至相应的传输直波导并最终从第一出射模块中相应的出射端口输出；从下输出子端口输出的波长为/>的光子传输至传输连接波导或子空间编码模块。

子空间编码模块对其接收的光子进行量子态扩展并编码为M维量子态。

第一级H门组中的第一个H门操作单元对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，且传输连接波导输出的光子从相应50:50分束器的输入上端输入，第一个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；50：50分束器对接收的光子进行H门操作且从其输出上端输出的光子传输至下一级H门组；第一级H门组中的第二个H门操作单元对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，且第二个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入上端输入，第三个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；以此类推，下一级H门组中的H门操作单元按序依次对上一级H门组中相邻的两个H门操作单元输出的量子态进行约化，且两个H门操作单元中的前一个H门操作单元输出的光子从相应50：50分束器的输入上端输入，后一个H门操作单元输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；直至最后一级H门组中的H门操作单元完成对上一级H门组中两个H门操作单元输出的量子态约化，从最后一级H门组中各50:50分束器输出上端输出的光子传输至第二出射模块中相应的出射端口。

以上各个步骤的详细过程已在阐述相关组件时进行了详尽解释，这里不再针对每个步骤赘述。

由以上内容可知，本申请中初态量子态产生模块将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且不同光束与第一束光的光强比与初态量子态产生模块相应输出端口输出量子态的幅度值相关，也即是通过初态量子态产生模块对外部泵浦光进行量子态的预调制，然后再通过子空间编码模块对纠缠双光子进行维度拓展和调制实现量子纠缠态子空间的重配置，最后通过H门操作模块层层约化使输出的量子态的路径为M条，实现了拓展量子态维度的同时又极大地减少了量子态的输出路径。本申请子空间编码模块中每个M维编码结构输出的量子态都是可编程重新配置的，因此本申请实现了纠缠态整体幅值调控和子空间编码模块输出量子态的任意精确调控。此外，本申请无需低温设备支持，可以基于成熟的半导体芯片制作工艺实现片上集成。

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 (8)

1.一种高维纠缠光源，其特征在于，包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导；

初态量子态产生模块具有N组输出端口，用于将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且第i束光与第一束光的光强比为 ：1，其中N=2ⁿ,n和i均为任意正整数且/>，/>表示初态量子态产生模块第i组输出端口输出量子态的幅度值；一对纠缠光子从其中一组输出端口输出，每组输出端口包括上输出子端口和下输出子端口，一对纠缠光子的波长分别为/>和/>且波长为/>的光子从上输出子端口输出，波长为的光子从下输出子端口输出，N组输出端口中的上输出子端口与N个传输直波导的输入端一一对应连接，第一组输出端口中的下输出子端口与传输连接波导连接，另（N-1）组输出端口中的下输出子端口与（N-1）个M维编码结构一一对应连接；第一出射模块包括N个出射端口，N个传输直波导的输出端与第一出射模块中的N个出射端口一一对应连接；

子空间编码模块用于对其接收的光子进行量子态扩展并编码为M维量子态，包括（N-1）个M维编码结构，每个M维编码结构由若干个MZ干涉环级联组成并呈树状结构，树状结构的第一级设置1个MZ干涉环，第二级设置2个MZ干涉环，第三级设置4个MZ干涉环，以此类推，第m级设置2^m-1个MZ干涉环，每个M维编码结构具有M个输出端，其中M=2^m，m为任意正整数；

H门操作模块用于层层约化子空间编码模块和传输连接波导输出的量子态，由n级H门组连接组成且第一级H门组包括N/2个H门操作单元，第二级H门组包括N/2²个H门操作单元，以此类推，第n级设置N/2ⁿ个H门操作单元，每个H门操作单元包括M个相互独立的50:50分束器，每个50:50分束器用于对接收的量子态做H门操作；

第一级H门组中的第一个H门操作单元用于对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，且传输连接波导的输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元中的第一个50:50分束器的输入上端连接，第一个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第一个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；第一级H门组中的第二个H门操作单元用于对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，且第二个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入上端一一对应连接；第三个M维编码结构的M个输出端与第一级H门组中第二个H门操作单元包括的M个50:50分束器的输入下端一一对应连接；以此类推，下一级H门组中的H门操作单元用于按序依次对上一级H门组中相邻的两个H门操作单元输出的量子态约化，且相邻两个H门操作单元中的前一个H门操作单元包括的各50：50分束器的输出上端与下一级H门组中相应H门操作单元包括的各50：50分束器的输入上端一一对应连接，后一个H门操作单元包括的各50：50分束器的输出上端与下一级H门组中相应H门操作单元包括的各50：50分束器的输入下端一一对应连接；最后一级H门组中的H门操作单元用于对上一级H门组中两个H门操作单元输出的量子态约化；第二出射模块包括M个出射端口，第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端与第二出射模块中的M个出射端口一一对应连接。

2.根据权利要求1所述的一种高维纠缠光源，其特征在于，初态量子态产生模块包括分束模块、N个双光子产生结构和N个路径分配单元，分束模块具有N个输出端，用于将接收的泵浦光分为N束，分束模块的N个输出端与N个双光子产生结构的输入端一一对应连接，N个双光子产生结构的输出端与N个路径分配模块的输入端一一对应连接，双光子产生结构基于接收的分束光概率性产生纠缠光子对且N个双光子产生结构产生一对纠缠光子，每个路径分配模块具有两个输出端，用于将接收的一对纠缠光子分离使波长为的光子从其输出上端输出，波长为/>的光子从其输出下端输出。

3.根据权利要求1所述的一种高维纠缠光源，其特征在于，MZ干涉环由第一50:50分束器、第二50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、环内相位调制器、环外相位调制器组成，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端和第二50:50分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端和第二50:50分束器的输入下端，环内相位调制器设置于干涉上臂上，环外相位调制器设置于第二50:50分束器的输出上端口处。

4.根据权利要求1所述的一种高维纠缠光源，其特征在于，初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

5.根据权利要求2所述的一种高维纠缠光源，其特征在于，分束模块为MMI型分束器或由n级MZ干涉仪级联组成且每级MZ干涉仪的个数为2^n-1。

6.根据权利要求2所述的一种高维纠缠光源，其特征在于，路径分配模块为波分解复用器或光滤波器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高维纠缠光源，其特征在于，还包括第一滤波模块和第二滤波模块，第一滤波模块包括N个滤波器，第二滤波模块包括M个滤波器，N个传输直波导的输出端与第一滤波模块中N个滤波器的输入端一一对应连接，第一滤波模块中N个滤波器的输出端与第一出射模块中N个出射端口一一对应连接，第n级H门组中的M个50:50分束器的输出上端与第二滤波模块中M个滤波器的输入端一一对应连接，第二滤波模块中M个滤波器的输出端与第二出射模块中M个出射端口一一对应连接，每个滤波器用于滤除残余的泵浦光。

8.一种高维纠缠态的产生方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的高维纠缠光源，高维纠缠光源包括初态量子态产生模块、子空间编码模块、传输连接波导、H门操作模块、第一出射模块、第二出射模块和N个传输直波导，所述方法包括：

初态量子态产生模块将外部输入的泵浦光分为N束光并基于N束光产生一对纠缠光子且第i束光与第一束光的光强比为：1，一对纠缠光子从初态量子态产生模块其中一组输出端口输出且波长为/>的光子从相应组输出端口的上输出子端口输出，波长为/>的光子从相应组输出端口的下输出子端口输出；

从上输出子端口输出的波长为的光子传输至相应的传输直波导并最终从第一出射模块中相应的出射端口输出；从下输出子端口输出的波长为/>的光子传输至传输连接波导或子空间编码模块；

子空间编码模块对其接收的光子进行量子态扩展并编码为M维量子态；

第一级H门组中的第一个H门操作单元对传输连接波导和第一个M维编码结构输出的量子态约化，且传输连接波导输出的光子从相应50:50分束器的输入上端输入，第一个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；50：50分束器对接收的光子进行H门操作且从其输出上端输出的光子传输至下一级H门组；第一级H门组中的第二个H门操作单元对第二和第三个M维编码结构输出的量子态约化，且第二个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入上端输入，第三个M维编码结构输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；以此类推，下一级H门组中的H门操作单元按序依次对上一级H门组中相邻的两个H门操作单元输出的量子态进行约化，且两个H门操作单元中的前一个H门操作单元输出的光子从相应50：50分束器的输入上端输入，后一个H门操作单元输出的光子从相应50:50分束器的输入下端输入；直至最后一级H门组中的H门操作单元完成对上一级H门组中两个H门操作单元输出的量子态约化，从最后一级H门组中各50:50分束器输出上端输出的光子传输至第二出射模块中相应的出射端口。