CN203799050U - 任意偏振态量子比特投影分离芯片 - Google Patents

Abstract

一种量子光学检测技术领域的任意偏振态量子比特投影分离芯片，包括：一条光轴特定的双折射波导和一个双折射波导定向耦合器，光轴特定的双折射波导在所述光学玻璃芯片的一个端面设有开口，用于接收待投影分离的偏振态，该波导的另一端与双折射波导定向耦合器相连。本实用新型采用激光光束倾斜直写的办法，在透明硬质材料中制造由偏振态变换元件和偏振态分离元件组成的任意偏振态量子比特投影分离芯片，实现了光学波片和偏振分束器的微型化、可集成化，避免了其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了系统的稳定性、可靠性，并且使制造成本和周期大大降低。

Description

任意偏振态量子比特投影分离芯片

技术领域

本实用新型涉及的是一种量子光学检测技术领域的元件，具体是一种基于双折射波导，具有光学波片功能和偏振分束功能，可对任意偏振态量子比特进行投影分离的量子光学芯片。

背景技术

在传统的信息技术中，信息是以二进制的形式传递的，即所有信息都是由0和1组成的或长或短的字符串，其中每一个0或1这样的单元被叫做比特(bit)，而每一个比特只能是0或者1。与传统信息技术一样，量子信息技术也使用二进制来编码以传递信息，编码信息的最小单元叫做量子比特(qubit，即quantum bit的缩写)，所不同的是量子比特除了可以是0或1以外，还可以是这两个状态的叠加态。由于与环境的相互作用较好控制与调制，而且以光子为探测分析对象的仪器设备发展较为成熟，所以光子通常被当做量子信息技术的信息载体。因为要进行二进制编码，所以只要找到光子的一组双级属性并将两级分别赋值为0和1即可。光子的一个最显著的特性就是它的偏振性，稳定且区别性强，所以通常利用光子的不同偏振状态，如一对正交的线偏振态，来作为量子比特值0或1的物理实现，形成偏振态量子比特。

对偏振态量子比特的操控主要是改变其偏振状态(对于线偏振光主要指偏振方向)，使其转变成某一特定偏振状态的光子。宏观光学领域主要是采用光学波片(opticalwaveplate)，如半波片(halfwaveplate)、四分之一波片(quarterwaveplate)及其组合来实现，原理是改变波片光轴方向的偏振分量和与之垂直的偏振分量之间的位相差。半波片造成的位相差改变为π，可改变线偏振光的偏振方向；而四分之一波片造成的位相差改变为π/2，可将线偏振光转变成圆偏振光(更普遍的说是椭圆偏振光)或做相反的操作。因此，波片可作为偏振控制器(polarizationcontroller)，用来补偿光信号在介质中传播后产生的偏振状态的改变。比如在光纤中，光信号可能因几何位相(如光纤关于光轴的扭曲)、双折射、偏振模式色散、与偏振状态相关的损耗等因素发生偏振状态的改变，这对于使用偏振态量子比特的量子信息系统来说后果是灾难性的。为了在需要测量偏振态量子比特经过光纤或其他光路介质后的偏振态时，量子比特的偏振状态依然为一对正交偏振态，必须对其已改变的偏振状态进行补偿。

在量子比特恢复为一对正交偏振态后，就可以按照偏振特性对量子比特进行分离并测量了。因为测量仪器本身并不能分辨光子的偏振状态，所以需要先将具有不同偏振状态的光子分成两路，在终端放置测量仪器，以此实现对光子偏振状态的测量，因此这一依据偏振状态来分离光子的器件就显得十分重要。宏观光学通常使用偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，简称PBS)来作为偏振态量子比特的分离器件。

超快激光直写式制造技术：超快激光是脉冲持续时间小于1皮秒的脉冲激光，在如此短的脉冲持续时间下，瞬时能流变得非常巨大，许多非线性光学现象得以发生。光子的能量只与其波长有关。在弱光情况下，要想使物质分子吸收光子而发生物性的改变，光子能量就必须高于吸收的阈值；但在光强极强的情况下，虽然单光子的能量无法达到阈值，但是因为光场中有极多的光子，物质分子同时遇到两个或以上光子的概率极大增加，而其总能量达到或超过吸收阈值，这使吸收成为可能。物质对光子的非线性吸收的条件极为苛刻，通常需要对超快激光进行聚焦，在激光的焦点处才有满足非线性吸收的足够强的光场。然而这一苛刻的要求正是这种基于非线性光学现象的加工手段的独特优势。当聚焦长波长激光时，在聚焦的路径上因为光强过小，物质不会吸收光子发生物性变化，只有在焦点处光强达到能使非线性吸收发生的区域，才能发生物质对光子的吸收。这使得这种加工手段可以在不损伤材料表面的情况下对材料内部进行选择性的修饰，制造任意形状的三维结构。另一方面，因为发生非线性吸收需要光强达到一定阈值，这一阈值的等光强面是一个椭球面，在椭球面上及其内部，非线性吸收可以发生，所以我们可以通过调节聚焦前激光的光强来改变这一椭球区域的大小，通过降低光强甚至可以让其小于衍射极限，这又为超快激光的直写式加工带来了极高的加工精度。超快激光对三维物体的加工就是将物性经曝光发生改变的椭球微点逐渐堆积起来形成所要得到的三维目标物。这一过程正是微积分的原理，即将三维物体“微分”成曝光区域大小的点的集合或粗细与这样的点大小相仿的线的集合，通过让焦点在这个点阵或线阵中进行逐点逐线的曝光，逐步将物性发生改变的单元“积分”成期望得到的三维物体(如图1)。

实用新型内容

光子的偏振态是量子计算及量子信息处理中非常重要且最为常用的量子比特编码手段。采用此手段的量子信息处理目前主要依靠由宏观光学元件(如光纤、分束器、波片、偏振分束器)所组成的光学装置来实现。尽管宏观光学元件本身的制造技术成熟，性能可靠，但是由于需要相互连接，装置不可避免的存在连接误差、接入损耗、以及接口噪声等各种影响整体稳定性、可靠性的因素；同时还存在系统复杂、笨重，难以小型化、便携化及大规模集成，成本高、搭建周期长、不利实验研究和实际应用等缺点。用超快激光直写技术来一次成型地制造集成有光子学元件的量子光学芯片是对以上技术缺点的解决办法。另一方面，在量子计算及量子信息处理中，只需要两种基本的线性逻辑门就能实施对量子比特的任意操作，实现通用的量子计算，它们分别为双量子比特门(如受控非门controlled NOT‐gate)及单量子比特旋转门。在以偏振态来编码光子形成量子比特的量子信息处理光学回路中，对量子比特的操作通常是由波片组合来实现的，但是波片较难集成在量子光学芯片上。同样，对于用作正交偏振态分离的普通偏振分束器也无法有效集成到量子光学芯片中。

本实用新型针对现有技术存在的不足，提出一种任意偏振态量子比特投影分离芯片，在超快激光直写式制造技术（如图1）的基础上，采用激光光束倾斜直写的办法（如图2），在透明硬质材料中制造由偏振态变换元件和偏振态分离元件组成的任意偏振态量子比特投影分离芯片，这不仅完善了偏振编码量子光学芯片技术，使其有了与宏观光学中的波片和偏振分束器功能对应的光子学元件，而且实现了光学波片的微型化、可集成化，避免了其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了系统的稳定性、可靠性，并且使制造成本和周期大大降低。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种任意偏振态量子比特投影分离芯片，具体为长方形薄片结构的光学玻璃芯片，包括：一条光轴特定的双折射波导和一个双折射波导定向耦合器，其中：光轴特定的双折射波导在所述光学玻璃芯片的一个端面设有开口，用于接收待投影分离的偏振态，其另一端与双折射波导定向耦合器相连。

所述的光轴特定的双折射波导的双折射光轴重合或倾斜于芯片法线，可将任意偏振态转换为一对特定正交方向上的线偏振态。

所述的光轴特定的双折射波导优选通过波片实现。

所述的光轴特定的双折射波导的双折射光轴依据所要转换的偏振态以一定角度倾斜于芯片法线；波导的长度也视所要转换的偏振态而定。

所述的双折射波导定向耦合器实现偏振分束，由两条带有双折射性质的相互耦合的波导构成，其中：第一和第二耦合波导在位于所述的光学玻璃芯片的端面上均设有开口，第一耦合波导的另一端与光轴特定的双折射波导相连，第二耦合波导的另一端为盲端（如图3）。

所述的第一和第二耦合波导在耦合区域内相互平行，在耦合区域末端开始逐渐分离，在距离芯片端面几个毫米时恢复平行，具体值视应用需要而定。

经双折射波导而转换为一对特定正交方向上的线偏振态经过耦合区域后，按照其偏振方向进入第二耦合波导传播或继续沿第一耦合波导传播最后从相应出口出射，即某一方向的线偏振态与其正交方向的线偏振态分离，至此该芯片完成任意偏振态量子比特投影分离的功能。

技术优点

与现有技术相比，本实用新型的技术优点包括：

1)上述芯片实现了偏振态量子比特投影分离装置的微型化，将需要在实验室光学平台上搭建的装置光路集成到一块芯片上，占用空间和重量减小多个数量级；同时节省了装置搭建器材，降低了装置制造成本。

2)上述芯片制造工艺建立在超快激光直写式制造技术基础之上，利用了超快激光在玻璃材料中直写带来的双折射现象，创新性的采用了激光光束倾斜直写的方式来制造双折射光轴可调控的波导，解决了宏观光学波片难以芯片化的问题；同时让芯片化的“波片”具有极高的设计自由度，简化了偏振态变换装置。此外，利用基于双折射波导的定向耦合器解决了宏观偏振分束器芯片化的问题。

附图说明

图1为超快激光直写式制造技术示意图。

图2为写入方向竖直(左)与倾斜(右)的波导直写截面示意图。

图3为任意偏振态投影分离芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例的操作环境为：超快激光直写式加工系统，采用的芯片材料为硼硅酸盐玻璃，待转换偏振态量子比特的光子波长为810纳米。

本实施例的具体操作步骤为：

1)使用示波器测得待转换偏振态量子比特在竖直和水平方向的偏振分量的振幅比r=AV/AH=4/7，两分量间的位相差为δ=2π/5

2)根据公式 $\mathrm{\θ}=\left|{\tan }^{-1}(r\cos \mathrm{\δ}\±\sqrt{{\left(r\cos \mathrm{\δ}\right)}^2+1})\right|1$ 及 $L=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πb}}{\cot }^{-1}(\frac{\cos 2\mathrm{\θ}}{2\sin }-\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\δ}})2,$ 以及在已知芯片材料(本例采用硼硅酸盐玻璃)中激光直写的双折射波导的双折射率b=2.22×10^‐5和偏振态的波长λ=810纳米，得到加工光轴特定的双折射波导时激光光束与芯片法线所成的角度θ=40°(取较小的值)，双折射波导的写入长度L=7.825毫米。第一和第二耦合波导在耦合区域的间距d选为7微米，利用商业化光学计算软件计算得到与耦合间距对应的耦合区域长度l=13.36毫米。光轴特定双折射波导的预留磨去尺寸ΔL=0.5毫米，故实际写入尺寸L’=L+ΔL=8.325毫米

3)根据θ、L’、d、l制作CAD模型。根据模型并考虑到芯片坚固性，选择芯片尺寸宽×长×厚为10×30×1毫米。

4)将上述CAD模型使用软件转换为可供直写激光焦点扫描的线段集合文件。

5)超快激光直写加工程序读取上述线段集合文件。

6)设定加工参数：设激光单脉冲能量为210纳焦，脉冲重复频率为1兆赫兹、扫描速度为20毫米/秒、直写光束与芯片法线的角度为40°。

本实施例采用空间光波调制器(SLM)来改变写入激光光束与芯片法线之间的夹角。激光光束在进入物镜前先入射在SLM表面，反射的同时相位被SLM调制，从而光束自动聚焦在物镜入瞳偏离中心处，这样在被物镜聚焦后光束与芯片法线便具有特定角度。

7)启动加工程序，激光焦点开始沿线段扫描。

8)扫描完成，利用芯片研磨机磨去芯片两端特定长度，使波导开口于芯片端面。

9)对芯片进行通光测试，检测芯片是否达到功能要求以及损耗是否在允许值以下。

10)若检测不合格，则调整加工参数，返回第7步。

11)若检测合格，则芯片制造完成。

本实施例操作后得到的产品如图3所示，为长方形薄片结构的光学玻璃芯片1，包括：一条光轴特定的双折射波导2和一个双折射波导定向耦合器3，其中：光轴特定的双折射波导2在所述光学玻璃芯片1的一个端面设有开口4，用于接收待投影分离的偏振态，其另一端与双折射波导定向耦合器3相连。

所述的光轴特定的双折射波导2的长度L为7.825毫米。

所述的双折射波导定向耦合器3由两条带有双折射性质的相互耦合的波导6、7构成，其中：第一和第二耦合波导6、7在位于所述的光学玻璃芯片的端面上均设有开口8，第一耦合波导6的另一端与光轴特定的双折射波导2相连，第二耦合波导7的另一端为盲端5。

所述的第一耦合波导6与第二耦合波导7在耦合区域的间距d为7微米，耦合区域长度l为13.36毫米。

Claims (6)

1.一种任意偏振态量子比特投影分离芯片，其特征在于，所述芯片为长方形薄片结构的光学玻璃芯片，包括：一条光轴特定的双折射波导和一个双折射波导定向耦合器，其中：光轴特定的双折射波导在所述光学玻璃芯片的一个端面设有开口，用于接收待投影分离的偏振态，其另一端与双折射波导定向耦合器相连。

2.根据权利要求1所述的任意偏振态量子比特投影分离芯片，其特征是，所述的光轴特定的双折射波导的双折射光轴重合或倾斜于芯片法线，将任意偏振态转换为一对特定正交方向上的线偏振态。

3.根据权利要求1所述的任意偏振态量子比特投影分离芯片，其特征是，所述的光轴特定的双折射波导通过波片实现。

4.根据权利要求1所述的任意偏振态量子比特投影分离芯片，其特征是，所述的双折射波导定向耦合器实现偏振分束，由两条带有双折射性质的耦合波导构成，其中：第一和第二耦合波导在位于所述的光学玻璃芯片的端面上均设有开口，第一耦合波导的另一端与光轴特定的双折射波导相连，第二耦合波导的另一端为盲端。

5.根据权利要求4所述的任意偏振态量子比特投影分离芯片，其特征是，所述的第一和第二耦合波导在耦合区域内相互平行，在耦合区域末端开始逐渐分离，在芯片端面处恢复平行。

6.根据权利要求4所述的任意偏振态量子比特投影分离芯片，其特征是，所述的偏振分束是指：经双折射波导而转换为一对特定正交方向上的线偏振态经过耦合区域后，按照其偏振方向进入第二耦合波导传播或继续沿第一耦合波导传播最后从相应出口出射，完成某一方向的线偏振态与其正交方向的线偏振态分离。