TW202319967A - 包括量子記憶體的線性光學受控ｚ閘門 - Google Patents

Abstract

一種線性光學CZ閘門，包含具有A1輸入端部及A1輸出端部的A1光學通道、具有A2輸入端部及A2輸出端部的A2光學通道，其中第一量子記憶體光學地耦合至A2光學通道，具有B1輸入端部及B1輸出端部的B1光學通道，其中第二量子記憶體光學地耦合至B1光學通道。A2光學通道及B1光學通道匯聚在第一量子記憶體及第二量子記憶體下游的共同光學通道處，非線性符號閘門光學地耦合至共同光學通道，B2光學通道包括B2輸入端部及B2輸出端部。

Description

包括量子記憶體的線性光學受控Z閘門

此申請案依據美國專利法第119條請求於2021年9月07日提出申請之蘇俄專利申請案號第2021126244號的優先權權利，此專利申請案以全文引用的方式併入本文中。

本說明書總體上關於量子計算邏輯閘門。更具體而言，本揭露內容關於包含量子記憶體的線性光學受控Z閘門。

線性光學量子計算為使用量子邏輯閘門及量子位的通用量子電腦的物理實作。目前，可使用分束器及移相器對雙軌道編碼光子進行一體式操作。光學元件的簡單性及低退相關性使得線性光學實作比量子計算的超導實作更為具吸引力。

據此，存在改善的量子計算系統的需要，諸如改善的量子邏輯閘門，用於線性光學量子計算。

根據本揭露內容的第一態樣，線性光學CZ閘門包含具有A1輸入端部及A1輸出端部的A1光學通道、具有A2輸入端部及A2輸出端部的A2光學通道，其中第一量子記憶體光學地耦合至A2光學通道，具有B1輸入端部及B1輸出端部的B1光學通道，其中第二量子記憶體光學地耦合至B1光學通道。A2光學通道及B1光學通道匯聚在第一量子記憶體及第二量子記憶體下游的共同光學通道處，非線性符號閘門光學地耦合至共同光學通道，B2光學通道包括B2輸入端部及B2輸出端部。

本揭露內容的第二態樣包含如第一態樣之線性光學CZ閘門，其中A2光學通道及B1光學通道在非線性符號閘門下游從共同光學通道發散。

本揭露內容的第三態樣包含如第一態樣或第二態樣之線性光學CZ閘門，進一步包含第一光學開關，光學地耦合至第一及第二量子記憶體與共同光學通道之間的A2光學通道及B1光學通道；及第二光學開關，在共同光學通道與A2輸出端部之間及共同光學通道與B1輸出端部之間，光學地耦合至A2光學通道及B1光學通道。

本揭露內容的第四態樣包含如第三態樣之線性光學CZ閘門，其中A2光學通道包括從A2輸入端部延伸至第一光學開關的第一A2通道臂及從第二光學開關延伸至該A2輸出端部的第二A2通道臂；及B1光學通道包括從B1輸入端部延伸至第一光學開關的第一B1通道臂及從第二光學開關延伸至該B1輸出端部的第二B1通道臂。

本揭露內容的第五態樣包含如第一至第四態樣中任一項之線性光學CZ閘門，進一步包含第一光學耦合器，在A2輸入端部與第一量子記憶體之間及B1輸入端部與第二量子記憶體之間的位置處，光學地耦合至A2光學通道及B1光學通道；及第二光學耦合器，在非線性符號閘門與A2輸出端部之間及非線性符號閘門與B1輸出端部之間的位置處，光學地耦合至A2光學通道及B1光學通道。

本揭露內容的第六態樣包含如第一至第五態樣中任一項之線性光學CZ閘門，進一步包含第三量子記憶體，光學地耦合至非線性符號閘門與A2輸出端部之間的A2光學通道；第四量子記憶體，光學地耦合至非線性符號閘門與B1輸出端部之間的B1光學通道；第五量子記憶體，光學地耦合至A1輸入端部與A1輸出端部之間的A1光學通道；及第六量子記憶體，光學地耦合至B2輸入端部與B2輸出端部之間的B2光學通道。

本揭露內容的第七態樣包含如第一至第六態樣中任一項之線性光學CZ閘門，其中第一量子記憶體配置成吸收代表量子態的光子，並向非線性符號閘門釋放具有接收到的光子的量子態的光子。

本揭露內容的第八態樣包含如第一至第七態樣中任一項之線性光學CZ閘門，其中非線性符號閘門包括：第一附屬通道，具有光學地耦合至附屬光子源的第一輸入端部及光學耦合至第一光子偵測器的第一輸出端部；第二附屬通道，具有第二輸入端部及第二輸出端部，其中第二輸出端部光學地耦合至第二光子偵測器；及中央光學耦合器，光學地耦合至第一附屬通道及附屬光子源及第一光子偵測器之間的共同光學通道。

本揭露內容的第九態樣包含如第八態樣之線性光學CZ閘門，其中非線性符號閘門進一步包含：第一附屬光學耦合器，在附屬光子源及中央光學耦合器之間光學地耦合至第一附屬通道及第二附屬通道；及第二附屬光學耦合器，在中央光學耦合器與第二光子偵測器之間光學地耦合至第一附屬通道及第二附屬通道；

本揭露內容的第十態樣包含如第八態樣或第九態樣之線性光學CZ閘門，其中附屬光子源包括單一光子源且第一光子偵測器及第二光子偵測器各自包括單一光子偵測器。

本揭露內容的第十一態樣包含如第一至第十態樣中任一項之線性光學CZ閘門，其中非線性符號閘門為線性光學CZ閘門之一個且唯一的一個非線性符號閘門。

根據本揭露內容的第十二態樣，操作線性光學CZ閘門的方法，包含使用線性光學CZ閘門的第一量子記憶體，吸收第一量子記憶體接收的第一量子態，線性光學CZ閘門進一步包含A1光學通道，包括A1輸入端部及A1輸出端部；A2光學通道，包括A2輸入端部及A2輸出端部，其中第一量子記憶體光學地耦合至A2光學通道；B1光學通道，包括B1輸入端部與B1輸出端部，其中第二量子記憶體與B1光學通道光學地耦合，其中A2光學通道及B1光學通道匯聚在第一量子記憶體及第二量子記憶體下游的共同光學通道處，非線性符號閘門，光學地耦合至共同光學通道，B2光學通道，包括B2輸入端部及B2輸出端部。方法亦包含：使用第二量子記憶體，吸收第二量子記憶體接收到的第二量子態；將第一量子態從第一量子記憶體釋放至非線性符號閘門中；及使用第一量子態在非線性符號閘門中進行符號翻轉功能；將第二量子態從第二量子記憶體釋放至非線性符號閘門中；及使用該第二量子態在非線性符號閘門中進行符號翻轉功能。

本揭露內容的第十三態樣包含如第十二態樣之方法，進一步包含將A1量子態引導至A1光學通道的A1輸入端部中；將A2量子態引導至A2光學通道的A2輸入端部中，其中A1及A2量子態界定第一邏輯性量子位；將B1量子態引導至B1光學通道的B1輸入端部中；及將B2量子態引導至B2光學通道的B2輸入端部中，其中B1及B2量子態界定第二邏輯性量子位；其中第一光學耦合器，在A2輸入端部與第一量子記憶體之間及B1輸入端部與第二量子記憶體之間的位置處，光學地耦合至A2光學通道及B1光學通道；第二光學耦合器，在非線性符號閘門與A2輸出端部之間及非線性符號閘門與B1輸出端部之間的一位置處，光學地耦合至該A2光學通道及該B1光學通道，第一量子態為A1-B2量子態的其中一個；及第二量子態為A1-B2量子態的其中一個。

本揭露內容的第十四態樣包含如第十三態樣之方法，其中當A1量子態包括單一光子且A2量子態包括零光子時，第一邏輯性量子位為0態；當A1量子態包括零個光子且A2量子態包括單一光子時，第一邏輯性量子位為1態；當B1量子態包括單一光子且B2量子態包括零光子時，第二邏輯性量子位為1態；及當B1量子態包括零個光子且B2量子態包括單一光子時，第二邏輯性量子位為0態。

本揭露內容的第十五態樣包含如第十二至第十四態樣中任一項之方法，其中對第一量子態進行符號翻轉函數包括：將來自非線性符號閘門的附屬光子源的附屬光子引導至非線性符號閘門的第一附屬通道的第一輸入端部中。非線性符號閘門包含第一光子偵測器，光學地耦合至第一附屬通道的第一輸出端部；第二附屬通道，包括第二輸入端部及第二輸出端部；第二光子偵測器，光學地耦合至第二輸出端部；中央光學耦合器，光學地耦合至第一附屬通道及附屬光子源及第一光子偵測器之間的共同光學通道；第一附屬光學耦合器，在附屬光子源及中央光學耦合器之間，光學地耦合至第一附屬通道及第二附屬通道；及第二附屬光學耦合器，在中央光學耦合器與第二光子偵測器之間，光學地耦合至第一附屬通道及第二附屬通道。方法進一步包含在中央光學耦合器處，接收第一量子態；在第一光子偵測器處，偵測單一光子；及在第二光子偵測器處，偵測零光子。

本揭露內容的第十六態樣包含如第十二至第十五態樣中任一項之方法，其中將第一量子態從第一量子記憶體引導至第一光學開關中，第一光學開關光學地耦合至第一及第二量子記憶體與共同光學通道之間的A2光學通道及B1光學通道；第一光學開關位於第一定位處，光學地耦合A2光學通道及共同光學通道，使得第一量子態到達非線性符號閘門並經歷符號翻轉功能；及方法進一步包括以下步驟：將第一光學開關從第一定位改變至第二定位處，在第二定位中B1光學通道光學地耦合至共同光學通道，使得第二量子態從第二量子記憶體被引導至第一光學開關中，此後進入至非線性符號閘門中，在非線性符號閘門中，第二量子態經歷符號翻轉功能。

本揭露內容的第十七態樣包含第十六態樣之方法，其中在使用第一量子態在非線性符號閘門中進行符號翻轉功能之後，方法進一步包括將來自非線性符號閘門的第一後閘門量子態，藉由位於第一定位的第二個光學開關，引導至第三個量子記憶體中，其中第一個後閘門量子態被吸收；及在使用第二量子態在非線性符號閘門中進行符號翻轉功能之後，方法進一步包括將來自非線性符號閘門的第二後閘門量子態，藉由位於第二定位的第二個光學開關，引導至第四個量子記憶體中，其中第二個後閘門量子態被吸收。

本揭露內容的第十八態樣包含第十七態樣之方法，其中第五量子記憶體光學地耦合至A1光學通道，第六量子記憶體光學地耦合至B2光學通道，方法進一步包括採用第五量子記憶體，吸收橫穿A1光學通道的量子態；採用第六量子記憶體，吸收橫穿B2光學通道的量子態；及從第三量子記憶體、第四量子記憶體、第五量子記憶體、第六量子記憶體同步釋放量子態，使得量子態各自同時到達A1輸出端部、A2輸出端部、B1輸出端部、及B2輸出端部。

根據本揭露內容的第十九態樣，線性光學CZ閘門包含A1光學通道，包括A1輸入端部及A1輸出端部；A2光學通道，包括A2輸入端部及A2輸出端部，其中；A2光學通道包括第一A2通道臂，從A2輸入端部延伸至第一光學開關，及第二A2通道臂，從第二光學開關延伸至該A2輸出端部；及第一量子記憶體光學地耦合至第一A2通道臂；B1光學通道，包括B1輸入端部及B1輸出端。B1光學通道包含從B1輸入端部延伸至第一光學開關的第一B1通道臂及從第二光學開關延伸至該B1輸出端部的第二B1通道臂；及第二量子記憶體光學地耦合至第一B1通道臂；及第一光學耦合器，光學地耦合至第一及第二量子記憶體上游的第一A2通道臂及第一B1通道臂。共同光學通道，從第一光學開關延伸至第二光學開關；非線性符號閘門，光學地耦合至共同光學通道；及B2光學通道，包括B2輸入端部及B2輸出端部。

本揭露內容的第二十態樣包含線性光學CZ閘門，包括第三量子記憶體，光學地耦合至非線性符號閘門與A2輸出端部之間的A2光學通道；第四量子記憶體，光學地耦合至非線性符號閘門與B1輸出端部之間的B1光學通道；第五量子記憶體，光學地耦合至A1輸入端部與A1輸出端部之間的A1光學通道；及第六量子記憶體，光學地耦合至B2輸入端部與B2輸出端部之間的B2光學通道。

額外的特徵與優點將於本文隨後的實施方式（包含隨後的實施方式、請求項、及隨附圖式）中予以闡述，且對於熟習此項技藝者而言可由實施例之敘述，或者藉由實踐本文中所描述而明顯認知到此等其他特徵與優勢。

應當瞭解，上述一般性描述與以下的實施方式二者皆描述各種實施例，並且預期提供用於瞭解所請求保護的標的之性質與特徵的概述或框架。

包含附圖以提供對各種實施例的進一步瞭解且附圖被併入並構成本說明書的一部分。附圖例示本文中所描述之各種實施例，並與說明書一起用於說明所請求保護的標的的原理及操作的作用。

現在將詳細參考線性光學受控Z(CZ)閘門的實施例，其實施例在附圖中例示。傳統的光學CZ閘門包含四個光學通道及兩個非線性符號閘門。E. Knill, R. Laflamme, G. Milburn, 「Efficient Linear Optics Quantum Computation」, arXiv:quant-ph/0006088 (2000)中描述一個範例線性光學CZ閘門，稱作KLM協定，它論述基於分束器、移相器、及隱形傳態協定的線性光學CZ閘門，用於創建接近決定性的多量子位轉變。然而，KLM協定需要大數量的線性光學元件以形成CZ閘門，這會創造可擴展性、量子位同步及誤差速率問題。舉例而言，KLM協定的傳統光學CZ閘門使用兩個非線性符號閘門。在本文中所描述的實施例中，描述改善的線性光學CZ閘門，其將量子記憶體合併至通過線性光學CZ閘門傳播的時間空間量子態，改善量子位同步，並而有助於使用單一非線性符號閘門。使用單一非線性符號閘門可減少線性光學CZ閘門中的光學組件數量，並提供快速故障功能，其中在第一次失敗的符號閘門操作(例如，失敗的標誌翻轉功能)確定之後，重啟線性光學CZ閘門的操作。將儘可能地於整個附圖中使用相同的元件符號來指代相同或相似部分。

現在參照圖1，示意性地描繪線性光學CZ閘門100。線性光學CZ閘門100包含四個光學通道，A1光學通道110包括A1輸入端部111及A1輸出端部112，A2光學通道120包括A2輸入端部121及A2輸出端部122，B1光學通道130包括B1輸入端部131及B1輸出端部132，B2光學通道140包括B2輸入端部141及B2輸出端部142。線性光學CZ閘門100包含多個量子記憶體160，用於儲存在線性光學CZ閘門100中傳播的量子位的量子態。第一量子記憶體161光學地耦合至A2光學通道120，第二量子記憶體162光學地耦合至B1光學通道130。A2光學通道120及B1光學通道130會聚在第一量子記憶體161及第二量子記憶體162下游的共同光學通道105處。進一步地，非線性符號閘門170光學地耦合至共同光學通道105。因此，第一量子記憶體161及第二量子記憶體162定位於A1-B2輸入端部111、121、131、141、及非線性符號閘門170之間。在操作中，第一量子記憶體161及第二量子記憶體162在量子位通過線性光學CZ閘門100傳播時暫時地儲存量子位的量子態。與傳統光學CZ閘門中的兩個非線性符號閘門相比較，包含多個量子記憶體160允許使用單一非線性符號閘門170。

如本文中所使用，「光學地耦合」係指佈置成使得光子脈衝及/或量子態可在其間轉移的兩個或更多個組件。舉例而言，光學通道可光學地耦合線性光學CZ閘門100的組件。光學通道可包括自由空間、與諸如透鏡或類似物的收集光學裝置組合的自由空間，及/或諸如包括芯及圍繞芯的包覆的光纖的光波導、平面波導、或類似物。

線性光學CZ閘門100可進一步包括額外的量子記憶體160，諸如第三量子記憶體163、第四量子記憶體164、第五量子記憶體165、及第六量子記憶體166。第三量子記憶體163光學地耦合至非線性符號閘門170與A2輸出端部122之間的A2光學通道120。第四量子記憶體164光學地耦合至非線性符號閘門170與B1輸出端部132之間的B1光學通道130。第五量子記憶體165光學地耦合至A1輸入端部111與A1輸出端部112之間的A1光學通道110。第六量子記憶體166光學地耦合至B2輸入端部141與B2輸出端部142之間的B2光學通道140。第三-第六量子記憶體163至166的内含物有助於量子態在A1至B2光學通道110至140的輸出端部112、122、132、142處的同步到達。

如圖1中所圖示，線性光學CZ閘門100進一步包括第一光學開關150及第二光學開關152。第一光學開關150光學地耦合至第一及第二量子記憶體161、162、及共同光學通道105之間的A2光學通道120及B1光學通道130。第二光學開關152，在共同光學通道105與A2輸出端部122之間及共同光學通道105與B1輸出端部132之間，光學地耦合至A2光學通道120及B1光學通道130。A2光學通道120包含第一A2通道臂124及第二A2通道臂126。類似地，B1光學通道具有第一B1通道臂134及第二B1通道臂136。第一A2通道臂124從A2輸入端部121延伸至第一光學開關150，第二A2通道臂126從第二光學開關152延伸至A2輸出端部122。第一B1通道臂134從B1輸入端部131延伸至第一光學開關150，第二B1通道臂136從第二光學開關152延伸至B1輸出端部132。將共同光學通道105及非線性符號閘門170定位於第一A2及B1通道臂124、134與第二A2及B1通道臂126、136之間。第一A2通道臂124及第一B1通道臂134在非線性符號閘門170上游會聚以形成共同光學通道105。進一步地，A2光學通道120及B1光學通道130在非線性符號閘門170下游從共同光學通道105發散，形成第二A2及B1通道臂126、136。

在操作中，第一光學開關150可在第一定位或第二定位，並可響應於從控制器102接收的控制訊號從第一部分移動至第二定位，反之亦然。類似地，第二光學開關152可在第一定位或第二定位，並可響應於從控制器102接收的控制訊號從第一部分移動至第二定位，反之亦然。當第一光學開關150處於第一定位時，A2光學通道120，具體地是第一A2通道臂124，與共同光學通道105光學地耦合，使得第一量子記憶體161釋放的量子態可到達非線性符號閘門170。當第一光學開關150處於第二定位時，B1光學通道130，具體地是第一B1通道臂134，與共同光學通道105光學地耦合，使得第二量子記憶體162釋放的量子態可到達非線性符號閘門170。當第二光學開關152處於第一定位時，A2光學通道120，具體地是第二A2通道臂126，與共同光學通道105光學地耦合，使得非線性符號閘門170輸出的量子態到達第三量子記憶體163。當第二光學開關152處於第二定位時，B1光學通道130，具體地是第二B2通道臂136，與共同光學通道105光學地耦合，使得非線性符號閘門170輸出的量子態到達第四量子記憶體164。

線性光學CZ閘門100進一步包括第一光學耦合器154及第二光學耦合器156。第一光學耦合器154在A2輸入端部121及第一量子記憶體161之間及B1輸入端部121與第二量子記憶體162之間的位置處，光學地耦合至A2光學通道120及B1光學通道130。第二光學耦合器156在非線性符號閘門170與A2輸出端部122之間及非線性符號閘門170與B1輸出端部132之間的位置處光學地耦合至A2光學通道120及B1光學通道130。在第一光學耦合器154及第二光學耦合器156處，量子態可從A2光學通道120轉移至B1光學通道130，反之亦然。舉例而言，在A2光學通道120中傳播的代表A邏輯性量子位的1態的光子可在第一光學耦合器154處從A2光學通道120傳播至B1光學通道130。

在一些實施例中，第一光學耦合器154及第二光學耦合器156包括50:50的耦合比值，使得第一及第二光學耦合器154、156將進入至第一及第二光學耦合器154、156的50%光子引導至A2光學通道120中，且將進入至第一及第二光學耦合器154、156的50％光子引導至B1光學通道130中。然而，應當瞭解，第一及第二光學耦合器154、156可包括其他耦合比值，舉例而言，從10:90至90:10耦合比值的範圍，諸如20:80、25:75、40:60、45:55、50:50、55:45、60:40、75:25、80:20、或類似者。在一些實施例中，第一及第二光學耦合器154、156可包括分束器，諸如50:50光束分光器。在其他實施例中，第一及第二光學耦合器154、156可包括，舉例而言，方向性耦合器、多模式干涉儀、受激拉曼絕熱通道(STIRAP)耦合器、半透明鏡、或本領域已知的其他光學耦合器。

線性光學CZ閘門100可為量子計算系統的一部分，該系統進一步包括控制器102，該控制器使用通訊路徑104通訊地耦合至線性光學CZ閘門100，該通訊路徑在控制器102及線性光學CZ閘門100的各種組件之間提供訊號互連。如本文中所使用，術語「通訊耦合」意指耦合的組件能彼此交換數據訊號，諸如，舉例而言，經由導電介質的電性訊號、經由空氣的電磁訊號、經由光波導的光學訊號、及類似物。在操作中，控制器102向第一光學開關150、第二光學開關152、及量子記憶體160中的每個提供控制訊號。來自控制器102的控制訊號可設置(即，改變或保持)第一及第二光學開關150、152的定位。控制器102可向量子記憶體160發送控制訊號以定時量子態的釋放。在一些實施例中，線性光學CZ閘門100可實行為積體光子元件，諸如「晶片上」元件。線性光學CZ閘門100的一些或所有組件可嵌入平面波導中或可為平面波導的一部分(例如，雷射寫入波導)。在其他實施例中，線性光學CZ閘門100可包括塊狀光學元件。

線性光學CZ閘門100為可用於使用雙軌道量子位編碼的量子電腦中的邏輯閘門。不預期受理論限制，量子位的量子態取決於處於兩種光學模式的光子的疊加，這兩種光學模式可為空間、偏振、或時間。本文中所描述的線性光學CZ閘門100使用空間光學模式，因此使用兩個光學通道來代表傳播線性光學CZ閘門100的兩個量子位中的每個。亦即，在線性光學CZ閘門100的A1光學通道110及A2光學通道120中編碼第一邏輯性量子位A，作為A1量子態及A2量子態。A1量子態可為單一光子或空態(即，零光子)任一者，A2量子態可為單一光子或空態(即，零光子)任一者。當A1量子態包括單一光子且A2量子態包括零光子時，第一邏輯性量子位為0態。當A1量子態包括零個光子且A2量子態包括單一光子時，第一邏輯性量子位為1態。從數學上講，根據以下等式(1)及等式(2)在光學通道A1及光學通道A2中編碼第一個量子位A。

	(1)
	(2)

在B1光學通道130及B2光學通道140中將編碼第二邏輯性量子位B為B1量子態及B2量子態。B1量子態可為單一光子或空態(即，零光子)任一者，B2量子態可為單一光子或空態(即，零光子)任一者。當B1量子態包括單一光子且B2量子態包括零光子時，第二邏輯性量子位為1態。當B1量子態包括零個光子且B2量子態包括單一光子時，第二邏輯性量子位為0態。從數學上講，根據以下等式(3)及等式(4)在光學通道B1及光學通道B2中編碼第二個量子位B。

	(3)
	(4)

每個量子記憶體160在結構上被配置為儲存及釋放量子位的量子態。舉例而言，當量子記憶體160接收到的量子態為1態時，該量子態由光子代表，該光子可被儲存，舉例而言，藉著非線性光學製程被吸收。當量子記憶體160接收到的量子態為0態時，量子態由零光子(即，零態)代表。量子記憶體160藉由不作為儲存該空狀態，因此0態的時間及空間位置受到控制，且0態保持與其對應的1態的協調。儘管未意圖被理論限制，但每個量子記憶體160在結構上配置成，在接收到光子脈衝(例如，代表量子位的1-狀態的光子脈衝)時，舉例而言，藉著非線性光學製程吸收光子，從而將量子記憶體160的原子整體式狀態從諸如基態的第一能量狀態激發至諸如非基態的第二能量狀態，一種激發狀態。如本文中所使用，「原子整體式狀態」係指包括量子記憶體160的原子的能量狀態的佈置。作為非限制性範例，在第一能量狀態中，量子記憶體160的電子可處於基態並在第二能量狀態中，此等電子中的一些電子可移動至激發態。在一些實施例中，第一能量狀態可具有比第二能量狀態更低的總能量。儘管仍未意圖被理論限制，但每個量子記憶體160的原子整體式狀態可在一段時間之後，在沒有外側刺激的情況下或在接收至諸如控制訊號的外側刺激時返回到第一能量狀態，諸如從控制器102接收的控制訊號。在返回到第一個能量狀態時，釋放光子。

每個量子記憶體160可包括任何已知的或將要開發的量子記憶體，諸如原子組裝件，其中個別量子態能以如此方式被吸收，即接收到的量子位的量子態被原子整體式(狀態)保存並可以作為釋放的光子或空態釋放，與對應的接收光子或空態共享量子態。舉例而言，可根據請求(例如，在接收到控制器102的控制訊號時)或在設定的延遲之後釋放被釋放的光子。進一步地，當釋放零狀態時，零狀態(即，0狀態)與其量子位的對應1狀態保持時間及空間配位。

Sangouard等人, 「Quantum Repeaters Based on Atomic Ensembles and Linear Optics」中描述一些範例量子記憶體； Review of Modern Physics, 第83卷、2011年1至3月；第33-80頁，其中將量子記憶體使用於量子中繼器以實現纏結交換。其他範例量子記憶體包含在美國專利公開第2018/0322921號，轉讓給紐約康寧的康寧公司、標題為「Quantum Memory Systems and Quantum Repeater Systems Comprising Doped Polycrystalline Ceramic Optical Devices and Methods of Manufacturing the Same,」中描述的量子存儲器系統。可在微波或射頻(RF)中實現其他範例量子記憶體，其中光子的電磁場被用作沿著波導(例如，金屬、超導波導)的資訊的基本載體。Moiseev等人,「Broadband Multiresonator Quantum Memory-Interface」，Scientific Reports 8:3982 (2018) 中描述此種途徑的一個範例。可使用用於光學及/或電訊波長範圍內的光子的微諧振器實現其他範例量子記憶體。進一步地，範例量子記憶體可將光學光子轉換成微波光子並返回。Williamson 等人, 「Magneto-Optic Modulator with Unit Quantum Efficiency,」 Phys. Rev. Lett. 113, 203601, 2014年11月14日中描述此種方法的一個範例。

由於第一量子記憶體161及第二量子記憶體162儲存量子態，因此橫穿A2光學通道120及B1光學通道130的量子位的量子態可在時間上間隔開，而允許A2光學通道120及B1光學通道130會聚在第一量子記憶體161及第二量子記憶體162下游的共同光學通道105處，且允許線性光學CZ閘門100包括單一非線性符號閘門170。

現在參照圖2及3，更詳細地描繪非線性符號閘門170。非線性符號閘門170包含第一附屬通道171，第一附屬通道具有光學地耦合至附屬光子源180的第一輸入端部172及光學地耦合至第一光子偵測器182的第一輸出端部174。非線性符號閘門170亦包含具有第二輸入端部176及第二輸出端部178的第二附屬通道175。第二輸出端部178光學地耦合至第二光子偵測器184。非線性符號閘門170亦包含光學地耦合至第一附屬通道171及附屬光子源180與第一光子偵測器182之間的共同光學通道105的中央光學耦合器190。此外，第一附屬光學耦合器192在附屬光子源180與中央光學耦合器190之間光學耦合至第一附屬通道171及第二附屬通道175且第二附屬光學耦合器194在中央光學耦合器190與第二光子偵測器184之間光學地耦合至第一附屬通道171及第二附屬通道175。附屬光子源180可包括單一光子源，諸如量子點、顏色中心、或類似物。此外，第一及第二光子偵測器182、184包括單一光子偵測器，諸如超導奈米線材單一光子偵測器、碳奈米線材偵測器、雪崩光電二極體偵測器、低黑暗計數光電二極體偵測器、或類似物。中央光學耦合器190、第一附屬光學耦合器192及第二附屬光學耦合器194可各自包括前文所描述參照第一及第二光學耦合器154、156的任何光學耦合器。進一步地，中央光學耦合器190、第一附屬光學耦合器192及第二附屬光學耦合器194中的每個包括如E. Knill、R. Laflamme、G. Milburn,「Efficient Linear Optics Quantum Computation,」arXiv:quant-ph/0006088 (2000)中所描述優化的不同耦合比值。

在操作中，非線性符號閘門170根據以下等式(5)在基於Fock的量子態(有時係指光子數空間)上進行符號翻轉功能。

(5)

仍然參照圖2及3，對量子態進行符號翻轉功能包括將來自附屬光子源180的附屬光子引導至第一附屬通道171的第一輸入端部172中並在中央光學耦合器190處接收量子態來自第一量子記憶體161或第二量子記憶體162任一者。由於可控制從第一量子記憶體161或第二量子記憶體162釋放量子態及從附屬光子源180發射附屬光子，所以量子態及附屬光子到達中央光學耦合器190可同步。在到達中央光學耦合器190之前，附屬光子橫穿第一附屬光學耦合器192。第一附屬光學耦合器192將附屬光子引導至第一附屬通道171中或將附屬光子引導至第二附屬通道175中。第一附屬光學耦合器192包括從0.8至0.9的反射率，諸如0.8、0.81、0.82、0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、或0.9。當附屬光子被引導至第一附屬通道171中時，它可與第一量子記憶體161或第二量子記憶體162釋放的量子態同時到達中心光學耦合器190。中央光學耦合器190將量子態引導至第一附屬通道171或將量子態引導回共同光學通道105。中央光學耦合器190包括從0.15至0.25的反射率，諸如0.15、0.16、0.14、0.18、0.19、0.2、0.21、0.22、0.23、0.24、或0.25。類似地，當附屬光子到達中央光學耦合器190時，附屬光子被引導回到第一附屬通道171或被引導至共同光學通道105中。第二附屬光學耦合器194亦將附屬光子及/或量子態引導至第一光子偵測器182上或將附屬光子及/或量子態引導至第一光子偵測器184。第二附屬光學耦合器194包括從0.8至0.9的反射率，諸如0.8、0.81、0.82、0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、或0.9。

在此階段，第一光子偵測器182及第二光子偵測器184進行偵測以決定第一光子偵測器182或第二光子偵測器184中的每個是否已接收到單一光子或空態。在操作中，當在第一光子偵測器182處偵測到單一光子並在第二光子偵測器偵測到零光子時，符號翻轉功能為成功的，這以1比4的比例發生。進一步地，與傳統的線性CZ閘門相比較，使用單一非線性符號閘門170減少了線性光學CZ閘門100中的單一光子源及光子偵測器的數量。此外，使用單一非線性符號閘門170提供快速故障功能，其中線性光學CZ閘門100的操作可在第一次失敗的符號閘門操作(例如，失敗的符號翻轉功能)的確定之後重啟。

線性光學CZ閘門100的操作可使用以下等式(6)進行數學上地描述，其中

、

、及

係由線性光學CZ閘門100修改的任意量子態的係數。

(6)

其中：

	(7)
	(8)
	(9)
	(10)

現在參照圖1至3，操作線性光學CZ閘門100的方法包括將A1量子態引導至A1光學通道110的A1輸入端部111及將A2量子態引導至A1光學通道120的A2輸入端部121。A1及A2量子態界定第一邏輯性量子位A並因此將A1及A2量子態引導至A1光學通道110中，且A2光學通道120可包括將單一光子及/或空態引導至A1光學通道中110及A2光學通道120。操作線性光學CZ閘門100的方法亦包括將B1量子態引導至B1光學通道130的B1輸入端部131及將B2量子態引導至B2光學通道140的B2輸入端部141。B1及B2量子態界定第二邏輯性量子位A並因此將B1及B2量子態引導至B1光學通道130中，且B2光學通道140可包括將單一光子及/或空態引導至B1光學通道中130及B2光學通道140。線性光學CZ閘門100可合併作為量子計算系統的一部分，因此A1至B2量子態可從量子計算系統中的另一個位置引導至Al至B2輸入端部111、121、131、141中，且代表每個邏輯性量子位的1態的光子可能源自一個或更多個光子源處。

接下來，A2量子態及B1量子態橫穿第一光學耦合器154。當第一光學耦合器154包括50:50的耦合比值時，它將A2量子態以1比2的速率從A2光學通道120引導至B1光學通道130中並將A2量子態保持在A2光學通道120中以1比2的比值。此外，第一光學耦合器154將B1量子態從B1光學通道130以1比2的速率引導至A2光學通道120中，並以1比2的速率將B1量子態保持在B1光學通道130中。接下來，操作線性光學CZ閘門100的方法包含使用第一量子記憶體161吸收由第一量子記憶體161接收的第一量子態並使用第二量子記憶體162吸收由第二量子記憶體162接收的第二量子態。第一量子態可包括A量子位的A2量子態或B量子位的B1量子態，這取決於第一光學耦合器154將A2量子態及B1量子態引導至何處。接下來，舉例而言，在接收到來自控制器102的控制訊號時，第一量子態從第一量子記憶體161釋放到非線性符號閘門170中。

一旦釋放，第一量子態從第一量子記憶體161被引導至第一光學開關150，第一光學開關位於第一定位，光學地耦合A2光學通道120及共同光學通道105，使得第一量子態到達非線性符號閘門170。在非線性符號閘門170處，第一量子態經歷符號翻轉功能。對第一量子態進行符號翻轉功能包括將來自非線性符號閘門170的附屬光子源180的附屬光子引導至第一附屬通道171的第一輸入端部172並在中央光學耦合器190處接收第一量子態。當在第一光子偵測器182處偵測到單一光子並在第二光子偵測器184處偵測到空態(即，零光子)時，符號翻轉功能為成功的。在使用第一量子態在非線性符號閘門170中進行符號翻轉功能之後，該方法進一步包括引導來自非線性符號閘門170的第一後柵量子態通過位於第一定位的第二光學開關152，並進入第三量子記憶體163，其中第一後閘門量子態被吸收。若使用第一及第二光子偵測器182、184決定的符號翻轉功能成功，則第二後閘門量子態包括A2量子態或B1量子態。若符號翻轉功能不成功，則可重啟線性光學CZ閘門100的操作，從而減少用於在失敗操作上的時間。

若符號翻轉功能成功，則操作繼續，第一光學開關150及第二光學開關152從第一定位改變至第二定位，使得B1光學通道130的第一B1通道臂134及第二B1通道臂136光學地耦合至共同光學通道105。接下來，舉例而言，一旦接收到來自控制器102的控制訊號，第二量子態即從第二量子記憶體162釋放至非線性符號閘門170中。一旦釋放，第二量子態從第二量子記憶體162被引導至第一光學開關150，第一光學開關現在處於第二定位，使得第二量子態到達非線性符號閘門170。在非線性符號閘門170，第二量子態經歷符號翻轉功能。在使用第二量子態在非線性符號閘門170中進行符號翻轉功能之後，該方法進一步包括引導來自非線性符號閘門170的第二後柵量子態通過位於第二定位的第二光學開關152，並進入第四量子記憶體164，其中吸收第二後閘門量子態。若使用第一及第二光子偵測器182、184決定的符號翻轉功能成功，則第二後閘門量子態包括A2量子態或B1量子態。

如前文所描述，線性光學CZ閘門100進一步包括光學地耦合至A1光學通道110的第五量子記憶體165及光學地耦合至B2光學通道140的第六量子記憶體166。操作線性光學CZ閘門100進一步包括吸收量子態，諸如A1量子態，用第五量子記憶體165橫穿A1光學通道，及吸收量子態，諸如B2量子態，橫穿B2光學通道140與第六量子記憶體166。使用第三量子記憶體163、第四量子記憶體164、第五量子記憶體165、及第六量子記憶體166吸收量子態允許待從第三量子記憶體163、第四量子記憶體164中的每個記憶體釋放所吸收的量子態，第五量子記憶體165及第六量子記憶體166為在協調方式，使得量子態同時到達A1輸出端部112、A2輸出端部122、B1輸出端部132、及B2輸出端部142中的每個端部。進一步地，在到達A2輸出端部122或B1輸出端部132之前，藉由第四量子記憶體164及第五量子記憶體165釋放的量子態橫穿第二光學耦合器156。

為了描述及界定本發明技術的目的，應注意到本文中變量的參照為變量或變量另一個的「函數」為並無意在表示該變量排他地為所列參數或變量的函數。反之，本文中所列變量的「函數」的參照預期成為的開放式，使得該變量可為單一參數複數個參數的函數。

亦應注意到，本文中對「至少一個」組件、元素等的列舉不應被用來創造冠詞「一(a或an)」的替代使用應限於單一組件、元素等的推斷。

應注意到，本文中以特定方式「配置」以體現特定性質或以特定方式起作用的本揭露內容的組件的敘述為結構敘述，與預期用途的列舉相反。更具體而言，本文中對組件配置」的方式的參考表示組件的現有物理條件，並如此一來，待視為對部件的結構特徵的明確列舉。

出於描述及界定本發明技術的目的，應注意到術語「大致上」及「約」在本文中被利用於表示可歸因於任何定量比較、值、量測、或其他代表的固有不確定性程度。術語「大致上」及「約」在本文中亦被利用來代表定量表示可與於所述的參考的程度有變化，而不致使所討論的標的的基本功能發生改變。

已詳細描述本揭露內容的標的並藉由引用其具體實施例，應注意到，即使在本說明書隨附的每個隨附圖示中均例示特定元素的情況下，本文中所揭露的各種細節不應視為暗示此等細節有關於作為本文中所描述的各種實施例的必須組件的元素。進一步地，顯而易見者為在不脫離本揭露內容的範圍的情況下，修改及變化為可能的，包含，而非限於隨附請求項中界定的實施例。更具體而言，儘管本揭露內容的一些態樣在本文中指出為優選的或特別地有利的，但是已考量本揭露內容不必然限於此等態樣。

應注意到，以下請求項中的一項或更多項利用術語「其中」作為中介詞。為了界定本發明技術的目的，應注意到，將此術語在請求項中使用於開放式中介詞技術引入，其被使用於引入對結構的一系列特徵的列舉，並應以相似的方式解釋成更常使用的開放式前言術語「包括」。

100:線性光學CZ閘門 102:控制器 104:通訊路徑 105:共同光學通道 110:A1光學通道 111:A1輸入端部 112:A1輸出端部 120:A2光學通道 121:A2輸入端部 122:A2輸出端部 124:第一A2通道臂 126:第二A2通道臂 130:B1光學通道 131:B1輸入端部 132:B1輸出端部 134:第一B1通道臂 136:第一B2通道臂 140:B2光學通道 141:B2輸入端部 142:B2輸出端部 150:第一光學開關 152:第二光學開關 154:第一光學耦合器 156:第二光學耦合器 160:量子記憶體 161:第一量子記憶體 162:第二量子記憶體 163:第三量子記憶體 164:第四量子記憶體 165:第五量子記憶體 166:第六量子記憶體 170:非線性符號閘門 171:第一附屬通道 172,174:第一輸入端部 175:第二附屬通道 176,178:第二輸出端部 180:附屬光子源 182:第一光子偵測器 184:第二光子偵測器 190:中央光學耦合器 192:第一附屬光學耦合器 194:第二附屬光學耦合器

當協合以下附圖閱讀時，可最佳地理解本揭露內容的具體實施例的以下實施方式，其中相似的結構用相似的元件符號表示且其中：

圖1示意性地描繪根據本文中圖示及所描述的一個或更多個實施例，包括量子記憶體及單一非線性符號閘門的線性光學CZ閘門；

圖2更詳細地示意性地描繪根據本文中圖示及所描述的一個或更多個實施例，圖1的非線性符號閘門；及

圖3示意性地描繪根據本文中圖示及所描述的一個或更多個實施例，具有圖2中所圖示的詳細非線性符號閘門的圖1的線性光學CZ閘門。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:線性光學CZ閘門

102:控制器

104:通訊路徑

105:共同光學通道

110:A1光學通道

111:A1輸入端部

112:A1輸出端部

120:A2光學通道

121:A2輸入端部

122:A2輸出端部

124:第一A2通道臂

126:第二A2通道臂

130:B1光學通道

131:B1輸入端部

132:B1輸出端部

134:第一B1通道臂

136:第一B2通道臂

140:B2光學通道

141:B2輸入端部

142:B2輸出端部

150:第一光學開關

152:第二光學開關

154:第一光學耦合器

156:第二光學耦合器

160:量子記憶體

161:第一量子記憶體

162:第二量子記憶體

163:第三量子記憶體

164:第四量子記憶體

165:第五量子記憶體

166:第六量子記憶體

170:非線性符號閘門

Claims (20)

1. 一種線性光學CZ閘門，包括： 一A1光學通道，包括一A1輸入端部及一A1輸出端部； 一A2光學通道，包括一A2輸入端部及一A2輸出端部，其中該第一量子記憶體光學地耦合至該等A2光學通道； 一B1光學通道，包括一B1輸入端部及一B1輸出端部；其中 一第二量子記憶體光學地耦合至該B1光學通道；及 該等A2光學通道及B1光學通道匯聚在一第一量子記憶體及該第二量子記憶體下游的一共同光學通道處； 一非線性符號閘門，光學地耦合至該共同光學通道；及 一B2光學通道，包括一B2輸入端部及一B2輸出端部。
2. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，其中該等A2光學通道及B1光學通道在該非線性符號閘門下游從該共同光學通道發散。
3. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，進一步包括: 一第一光學開關，光學地耦合至該第一及該第二量子記憶體與該共同光學通道之間的該等A2光學通道及該B1光學通道；及 一第二光學開關，在該共同光學通道與該A2輸出端部之間及該共同光學通道與該B1輸出端部之間，光學地耦合至該A2光學通道及該B1光學通道。
4. 如請求項3所述之線性光學CZ閘門，其中: 該A2光學通道包括從該A2輸入端部延伸至該第一光學開關的一第一A2通道臂及從該第二光學開關延伸至該A2輸出端部的一第二A2通道臂；及 該B1光學通道包括從該B1輸入端部延伸至該第一光學開關的一第一B1通道臂及從該第二光學開關延伸至該B1輸出端部的一第二B1通道臂。
5. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，進一步包括: 一第一光學耦合器，在該A2輸入端部與該第一量子記憶體之間及該B1輸入端部與該第二量子記憶體之間的一位置處，光學地耦合至該A2光學通道及該B1光學通道；及 一第二光學耦合器，在該非線性符號閘門與該A2輸出端部之間及該非線性符號閘門與該B1輸出端部之間的一位置處，光學地耦合至該A2光學通道及該B1光學通道。
6. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，進一步包括: 一第三量子記憶體，光學地耦合至該非線性符號閘門與該A2輸出端部之間的該A2光學通道； 一第四量子記憶體，光學地耦合至該非線性符號閘門與該B1輸出端部之間的該B1光學通道； 一第五量子記憶體，光學地耦合至該A1輸入端部與該A1輸出端部之間的該A1光學通道；及 一第六量子記憶體，光學地耦合至該B2輸入端部與該B2輸出端部之間的該B2光學通道。
7. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，其中該第一量子記憶體配置成吸收代表一量子態的一光子，並向該非線性符號閘門釋放包括接收到的該光子的該量子態的該光子。
8. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，其中該非線性符號閘門包括： 一第一附屬通道，包括光學地耦合至一附屬光子源的一第一輸入端部及光學耦合至一第一光子偵測器的一第一輸出端部； 一第二附屬通道，包括一第二輸入端部及一第二輸出端部，其中該第二輸出端部光學地耦合至一第二光子偵測器；及 一中央光學耦合器，光學地耦合至該第一附屬通道及該附屬光子源及該第一光子偵測器之間的該共同光學通道。
9. 如請求項8所述之線性光學CZ閘門，其中該非線性符號閘門進一步包括： 一第一附屬光學耦合器，在該附屬光子源及該中央光學耦合器之間光學地耦合至該第一附屬通道及該第二附屬通道；及 一第二附屬光學耦合器，在該中央光學耦合器與該第二光子偵測器之間，光學地耦合至該第一附屬通道及該第二附屬通道。
10. 如請求項8所述之線性光學CZ閘門，其中該附屬光子源包括一單一光子源且該第一光子偵測器及該第二光子偵測器各自包括一單一光子偵測器。
11. 如請求項1所述之線性光學CZ閘門，其中該非線性符號閘門為該線性光學CZ閘門之一個且唯一的一個非線性符號閘門。
12. 一種操作線性光學CZ閘門的方法，該方法包括以下步驟： 使用該線性光學CZ閘門的一第一量子記憶體，吸收一第一量子記憶體接收的一第一量子態，該線性光學CZ閘門進一步包括： 一A1光學通道，包括一A1輸入端部及一A1輸出端部； 一A2光學通道，包括一A2輸入端部及一A2輸出端部，其中該第一量子記憶體光學地耦合至該等A2光學通道； 一B1光學通道，包括一B1輸入端部與一B1輸出端部，其中一第二量子記憶體與該B1光學通道光學地耦合，其中該等A2光學通道及該B1光學通道匯聚在該第一量子記憶體及一第二量子記憶體下游的一共同光學通道處； 一非線性符號閘門，光學地耦合至該共同光學通道；及 一B2光學通道，包括一B2輸入端部及一B2輸出端部； 使用該第二量子記憶體，吸收該第二量子記憶體接收到的一第二量子態； 將該第一量子態從該第一量子記憶體釋放至該非線性符號閘門中； 使用該第一量子態在該非線性符號閘門中進行一符號翻轉功能； 將該第二量子態從該第二量子記憶體釋放至該非線性符號閘門中；及 使用該第二量子態在該非線性符號閘門中進行該符號翻轉功能。
13. 如請求項12所述之方法，進一步包括以下步驟： 將一A1量子態引導至該A1光學通道的該A1輸入端部中； 將一A2量子態引導至該A2光學通道的該A2輸入端部中，其中該等A1及A2量子態界定該第一邏輯性量子位； 將一B1量子態引導至該B1光學通道的該B1輸入端部中；及 將一B2量子態引導至該B2光學通道的該B2輸入端部中，其中該等B1及B2量子態界定該第二邏輯性量子位；其中 一第一光學耦合器，在該A2輸入端部與該第一量子記憶體之間及該B1輸入端部與該第二量子記憶體之間的一位置處，光學地耦合至該A2光學通道及該B1光學通道； 一第二光學耦合器，在該非線性符號閘門與該A2輸出端部之間及該非線性符號閘門與該B1輸出端部之間的一位置處，光學地耦合至該A2光學通道及該B1光學通道； 該第一量子態為該等A1-B2量子態的其中一個；及 該第二量子態為該等A1-B2量子態的其中一個。
14. 如請求項13所述之方法，其中： 當該A1量子態包括一單一光子且該A2量子態包括零光子時，該第一邏輯性量子位為一0態； 當該A1量子態包括零個光子且該A2量子態包括一單一光子時，該第一邏輯性量子位為一1態； 當該B1量子態包括一單一光子且該B2量子態包括零光子時，該第二邏輯性量子位為一1態；及 當該B1量子態包括零個光子且該B2量子態包括一單一光子時，該第二邏輯性量子位為一0態。
15. 如請求項12所述之方法，其中對該第一量子態進行該符號翻轉函數之步驟包括以下步驟： 將來自該非線性符號閘門的一附屬光子源的一附屬光子引導至該非線性符號閘門的一第一附屬通道的一第一輸入端部中，該非線性符號閘門進一步包括： 一第一光子偵測器，光學地耦合至該第一附屬通道的一第一輸出端部； 一第二附屬通道，包括一第二輸入端部及一第二輸出端部； 一第二光子偵測器，光學地耦合至該第二輸出端部； 一中央光學耦合器，光學地耦合至該第一附屬通道及該附屬光子源及該第一光子偵測器之間的該共同光學通道； 一第一附屬光學耦合器，在該附屬光子源及該中央光學耦合器之間光學地耦合至該第一附屬通道及該第二附屬通道；及 一第二附屬光學耦合器，在該中央光學耦合器與該第二光子偵測器之間，光學地耦合至該第一附屬通道及該第二附屬通道； 在該中央光學耦合器處，接收該第一量子態； 在該第一光子偵測器處，偵測一單一光子；及 在該第二光子偵測器處，偵測零光子。
16. 如請求項12所述之方法，其中： 將該第一量子態從該第一量子記憶體引導至該第一光學開關中，該第一光學開關光學地耦合至該第一及該第二量子記憶體與該共同光學通道之間的該A2光學通道及該B1光學通道； 該第一光學開關位於一第一定位處，光學地耦合該A2光學通道及該共同光學通道，使得該第一量子態到達該非線性符號閘門並經歷該符號翻轉功能；及 該方法進一步包括以下步驟：將該第一光學開關從該第一定位改變至該第二定位處，在該第二定位中該B1光學通道光學地耦合至該共同光學通道，使得該第二量子態從該第二量子記憶體被引導至該第一光學開關中，此後進入至該非線性符號閘門中，在該非線性符號閘門中，該第二量子態經歷該符號翻轉功能。
17. 如請求項16所述之方法，其中： 在使用該第一量子態在該非線性符號閘門中進行該符號翻轉功能之後，該方法進一步包括以下步驟：將來自該非線性符號閘門的該第一後閘門量子態，藉由位於該第一定位的該第二個光學開關，引導至該第三個量子記憶體中，其中該第一個後閘門量子態被吸收；及 在使用該第二量子態在該非線性符號閘門中進行該符號翻轉功能之後，該方法進一步包括以下步驟：將來自該非線性符號閘門的該第二後閘門量子態，藉由位於該第二定位的該第二個光學開關，引導至該第四個量子記憶體中，其中該第二個後閘門量子態被吸收。
18. 如請求項17所述之方法，其中該第五量子記憶體光學地耦合至該A1光學通道，一第六量子記憶體光學地耦合至該B2光學通道，該方法進一步包括以下步驟： 採用該第五量子記憶體，吸收橫穿一A1光學通道的量子態； 採用該第六量子記憶體，吸收橫穿一B2光學通道的量子態；及 從該第三量子記憶體、該第四量子記憶體、該第五量子記憶體、該第六量子記憶體同步釋放量子態，使得該等量子態各自同時到達該A1輸出端部、該A2輸出端部、該B1輸出端部、及該B2輸出端部。
19. 一種線性光學CZ閘門，包括： 一A1光學通道，包括一A1輸入端部及一A1輸出端部； 一A2光學通道，包括一A2輸入端部及一A2輸出端部，其中； 該A2光學通道包括一第一A2通道臂，從該A2輸入端部延伸至該第一光學開關，及一第二A2通道臂，從一第二光學開關延伸至該A2輸出端部；及 一第一量子記憶體光學地耦合至該第一A2通道臂； 一B1光學通道，包括一B1輸入端部及一B1輸出端部；其中： 該B1光學通道包括從該B1輸入端部延伸至該第一光學開關的一第一B1通道臂及從該第二光學開關延伸至該B1輸出端部的一第二B1通道臂；及 一第二量子記憶體光學地耦合至該第一B1通道臂；及 一第一光學耦合器，光學地耦合至該等第一及第二量子記憶體上游的該第一A2通道臂及該第一B1通道臂； 一共同光學通道，從該第一光學開關延伸至該第二光學開關； 一非線性符號閘門，光學地耦合至該共同光學通道；及 一B2光學通道，包括一B2輸入端部及一B2輸出端部。
20. 如請求項19所述之線性光學CZ閘門，進一步包括: 一第三量子記憶體，光學地耦合至該非線性符號閘門與該A2輸出端部之間的該A2光學通道； 一第四量子記憶體，光學地耦合至該非線性符號閘門與該B1輸出端部之間的該B1光學通道； 一第五量子記憶體，光學地耦合至該A1輸入端部與該A1輸出端部之間的該A1光學通道；及 一第六量子記憶體，光學地耦合至該B2輸入端部與該B2輸出端部之間的該B2光學通道。

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