專利名稱：：實現多光子場波導模式糾纏的裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及集成平面光波導技術在量子計算和量子通信領域的應用，尤其涉及一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置。
背景技術：
：量子信息學是量子力學與信息科學相結合的產物，是以量子力學基本原理為基礎，研究信息處理的一門新興前沿科學。近年來，量子信息學成為了一個有希望在計算、通信、精密測量以及基礎量子學等方面帶來革命性進展的研究領域。隨著一些重要研究進展的出現，九十年代中期量子信息學進入了一個蓬勃發展的新時期。這些重要研究的進展中最具影響力的是PeterShor證明了量子計算機能夠極其有效地進行大數的因式分解，而大數因式分解的復雜性正是保證商用RSA加密技術難以破解的關鍵所在，量子計算對傳統的加密技術提出了挑戰。然而幸運的是，同樣利用量子力學的基本原理，量子通信和量子密碼技術卻為信息傳輸提供了一種從物理原理上保證不可破解的全新的保密技術。由此可以看出，由量子計算、量子通信和量子密碼構成的量子信息學給信息技術的發展帶來的是一場全方位、深層次的革命。目前，量子信息技術的研究己經進入了一個發展的新階段，量子密碼技術已經開始進入實用化，量子計算和量子通信也已經在實驗上證明了其可行性。眾多的研究已經揭示出實現量子計算和量子通信的關鍵在于量子糾纏。量子糾纏是量子系統展示出的一種奇特的非局域性質，它體現在對空間分隔的兩個粒子的進行相關測量上，這種非局域性質的判別依據是Bdl不等式的破壞。這種量子態可以利用量子計算的控制非門實現,當控制位處于O和1的疊加態，而目標位處于0或者1態時，控制非門的輸出就是量子糾纏態。研究證明量子計算是否具有超越經典計算能力的關鍵在于控制非門能否實現量子糾纏態。同時量子糾纏態又是實現量子隱形傳態的關鍵，基于量子隱形傳態能夠實現更為安全和高速的量子保密通信技術。因此，可以認為量子糾纏態的實現是量子信息技術的最重要、最關鍵的問題之一。在眾多的量子計算和量子通信實現方案中，光子被認為是實現量子計算和量子通信的最理想載體之一，一方面因為光子與周圍環境的相互作用非常弱，在傳輸和操作過程中能夠保持良好的相干性，克服量子退相干效應的影響；另一方面因為光子以光速傳播能夠實現量子狀態的高速操作和轉移，并且能夠通過光纖實現遠距離量子通信。雖然基于光子的量子計算具有眾多的優點，但是由于光子與光子之間的相互作用非常弱，實現單光子的量子控制非門非常困難，這也是實現基于光子技術的量子計算和量子通信需要解決最重要的問題。近年來，為了滿足光纖通信技術的需求，集成平面光波導技術得到了迅速發展。與集成電路的發展相似，許多分立的光學器件逐步被集成平面光波導器件所替代，如光開關、波分復用器、光耦合器、光放大器等，這些器件已經廣泛地應用在光纖通信系統中。隨著集成平面光波導技術的發展，特別是光子晶體等新一代集成光學技術的發展，基于光子的信息處理將進入一個全光的集成化時代。眾所周知，在集成平面光波導中，光場被約束在一個具有較高折射率的芯層區域內，會產生一系列不連續的橫向本征模式，這些本征模式對應著離散的傳播常數。這些離散的模式與量子態之間許多性質完全相似，同樣具有測不準原理以及在Wigner表象下存在負值區域等，這種相似性質更深層次的原因在于描述電磁場的麥克斯韋方程與描述量子的薛定諤方程之間的相似性。一些研究進一步指出經典電磁場可以當成單光子的量子波函數，這樣麥克斯韋方程就可以表述為矩陣形式的薛定諤方程。由此可以看出，波導中光場的橫向模式完全具有與量子波函數相類似的性質。量子態能夠實現的量子糾纏性質，基于多光子場的波導模式也能實現類似的非局域性質。
發明內容本實用新型的目的是克服單光子的量子計算難以實現的困難，提供一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置。實現多光子場波導模式糾纏的裝置包括相連接的模式糾纏產生系統、模式相關測量系統，模式糾纏產生系統包括控制光場與第一方向耦合器、第二方向耦合器相連接，目標光場與馬赫一增德爾干涉儀相連接，馬赫一增德爾干涉儀兩臂上裝有兩個光學非線性單元，馬赫一增德爾干涉儀一臂上的光學非線性單元通過第一方向耦合器、第二方向耦合器與控制光場相連接；模式相關測量系統包括兩個模式分析器，每個模式分析器都帶有相連接的相位調制器和Y型分支器，Y型分支器的輸出端分別與兩光探測器一端相連接，兩光探測器的另一端與差分器一端相連接，兩差分器另一端與相關分析器相連接，系統中的各個光器件為雙模波導構成的器件，各個光器件之間采用雙模波導連接。所述的雙模波導是指至少容許光場兩個正交模式在其中傳播的波導，其中高階模式被編碼為量子比特1，低階模式被編碼為量子比特0。模式糾纏產生系統是一個能實現控制非羅輯的全光門光路，當控制光場輸入量子比特0時，目標光場的狀態不變；當控制光場輸入量子比特1時，目標光場的狀態翻轉。光學非線性單元是一個能產生三階％(3)非線性或類似效應的光學介質。能產生三階5^非線性或類似效應的光學介質為Kerr介質、半導體光放大器或電磁誘導透明介質。控制光場、目標光場是由激光器產生的光場。本實用新型利用波導中光場橫向模式與量子態之間的相似性，提出了一種實現多光子場波導模式糾纏的新方法。這種方法用雙模波導的兩個正交模式作為量子比特的"0"和"1"，通過波導模式耦合器、馬赫-增德爾干涉儀以及半導體光放大器(SOA)等非線性器件構成的量子控制非門，實現了兩個光場間波導模式的糾纏。本實用新型公開的多光子場波導模式糾纏的系統，從編碼方式到實現方法具有創新性和獨特性。此外，由于采用的是多光子場，半導體光放大器(SOA)產生的交叉相位調制效應完全可以實現控制位和目標位之間模式轉換和控制，避免了單光子量子控制非門實現的困難，在現有實驗條件下就能夠實現。這一點可以從光纖通信中已經廣泛使用的基于SOA的全光開關和全光波長轉換器得到證實。因此這一發明具有實用性。圖1是實現多光子場波導模式糾纏裝置結構示意圖；圖2(a)是編碼為0的波導模式電場分布示意圖；圖2(b)編碼為1的波導模式電場分布示意圖3(a)是控制位為0，目標位為0的控制非邏輯實現的計算機模擬示意圖；圖3(b)是控制位為0,目標位為1的控制非邏輯實現的計算機模擬示意圖；圖3(C)是控制位為1，目標位為0的控制非邏輯實現的計算機模擬示意圖；圖3(d)是控制位為1，目標位為1的控制非邏輯實現的計算機模擬示意圖；圖4是模式糾纏相關測量方案的計算機模擬圖中模式糾纏產生系統l、控制光場2、目標光場3、馬赫一增德爾干涉儀4、光學非線性單元5、第二方向耦合器6、第一方向耦合器7、模式相關測量系統8、模式分析器9、相位調制器IO、Y型分支器ll、光探測器12、差分器13、相關分析器14。具體實施方式本實用新型包括模式糾纏產生系統和模式相關測量裝置，且通過雙模波導或光纖將兩個系統連接起來。模式糾纏產生系統是一個由多個雙模波導光學器件構成的組件，它包括兩個輸入端口，其作用是將兩個光場分別作為控制場和目標場引入到系統中；兩個輸出端口，其作用是將兩個產生糾纏的場輸出到測量系統中；一個馬赫一增德爾干涉儀，其兩臂上裝有兩個光學非線性單元，且其中一臂與另一根波導形成兩個方向耦合器，其兩端分別與目標場的輸入輸出端口相連，作用是實現目標場波導模式的轉換；一個雙模波導，與馬赫一增德爾干涉儀的一臂形成兩個方向耦合器，在兩個方向耦合器之間裝有一個相位調制器，其兩端分別與控制場的輸入輸出端口相連，作用是將控制場中的特定模式耦合到馬赫一增德爾干涉儀的一臂上，實現對目標場模式轉換的控制。模式相關測量裝置包括兩個模式分析器，其輸入端分別與模式糾纏產生系統的輸出端相連，且每個模式分析器擁有兩個輸出端分別與光探測器相連，其作用是對兩個光場的模式疊加態進行局域操作；四個光探測器，分別與模式分析器的輸出端口相連，其作用是將光強信號轉化為電信號；兩個差分器，其作用是分別將兩對光探測器的輸出電信號進行相減，輸出差分電信號；相關分析器，其作用是將兩個差分電信號進行相關分析。以下結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式。如圖1所示，實現多光子場波導模式糾纏的裝置包括相連接的模式糾纏產生系統1、模式相關測量系統8，模式糾纏產生系統1包括控制光場2與第一方向耦合器7、第二方向耦合器6相連接，目標光場3與馬赫一增德爾干涉儀4相連接，馬赫一增德爾干涉儀4兩臂上裝有兩個光學非線性單元5，馬赫一增德爾干涉儀4一臂上的光學非線性單元5通過第一方向耦合器7、第二方向耦合器6與控制光場2相連接；模式相關測量系統8包括兩個模式分析器9，每個模式分析器9都帶有相連接的相位調制器10和Y型分支器11，Y型分支器11的輸出端分別與兩光探測器12—端相連接，兩光探測器12的另一端與差分器13—端相連接，兩差分器13另一端與相關分析器14相連接，系統中的各個光器件為雙模波導構成的器件，各個光器件之間采用雙模波導連接。所述的雙模波導是指至少容許光場兩個正交模式在其中傳播的波導，其中高階模式被編碼為量子比特1，低階模式被編碼為量子比特0。模式糾纏產生系統1是一個能實現控制非羅輯的全光門光路，當控制光場2輸入量子比特0時，目標光場3的狀態不變；當控制光場2輸入量子比特1時，目標光場3的狀態翻轉。光學非線性單元5是一個能產生三階5^非線性或類似效應的光學介質。能產生三階5^非線性或類似效應的光學介質為Kerr介質、半導體光放大器或電磁誘導透明介質。控制光場2、目標光場3是由激光器產生的光場。本實用新型的模式糾纏產生系統實際上是基于光場波導模式的量子計算方案的控制非門。為了能將本實用新型的具體實施方式介紹清楚，下面先對基于光場波導模式的量子計算方案以及控制非門進行介紹。基于光場波導模式的量子計算方案是利用光場被約束在一個具有較高折射率的芯層區域內時所產生的兩個相互正交的本征模式進行量子比特編碼。這里選定TEo模和TE,模分別作為量子比特的0和1，這兩個模式在波導截面的電場強度分布(見圖2)。雙模波導中，不僅容許這兩個模式在其中傳播，而且這兩個模式的疊加態也可以在其中傳播，這完全類似于量子力學中的疊加態，只是疊加系數的物理含義不同。這種量子計算方案正是利用了這種疊加性質。實現量子計算的關鍵在于兩量子比特控制非門(CNOT)的實現。本實用新型公開的一種基于波導模式的量子計算控制非門是由一個馬赫一增德爾干涉儀、兩個方向耦合器以及類似Kerr非線性介質構成的(如圖1所示)。利用這些光波導器件對波導模式的耦合和轉換，進一步由半導體光放大器SOA(也可以是其他Kerr非線性介質)產生大的交叉相位調制效應，CNOT門可以實現量子比特間控制非的邏輯，圖3顯示了通過計算機模擬得到的CNOT門實現的控制非門邏輯，其中圖(a)、(b)是控制位輸入為0時，目標位輸出不變；圖(c)、(d)是控制位輸入為1時，目標位輸出狀態翻轉，即1—0和0—1。這種CNOT門在現有實驗條件下實現是不困難的，這是由于方案中釆用的光場是經典場，在光強上沒有限制，因此SOA產生的相位調制作用完全可以實現模式的轉換，目前基于SOA的全光開關以及波長轉換器在光纖通信系統中已經得到實際應用能夠說明這一點。眾所周知，量子糾纏態可以通過量子計算的CNOT門來實現，同時這也是驗證一個方案是否能真正實現量子計算的依據。當CNOT門控制位輸入0和1的疊加態，而目標位輸入0或1態時，CNOT門的輸出為量子糾纏態。本實用新型將圖3顯示的CNOT門作為模式糾纏態的實現工具。由量子控制非門產生了模式糾纏態之后，糾纏的兩個場分別被雙模波導或光纖送入到模式相關測量系統中。模式相關測量系統分別由兩個空間分隔的模式分析器、光探測器以及相關器等構成。模式分析器由相位調制器和Y型分支器構成，能夠對模式疊加態進行投影測量。當模式疊加態輸入到模式分析器中，通過相位調制器的改變，模式分析器的兩個輸出端口的光強會隨之變化，從而實現對模式疊加態的投影測量。在基于Bdl不等式的相關測量中，需要利用模式分析器對模式糾纏態中的兩個經典場進行局域操作和測量，然后將測量的光電流相減并進行相關分析，然后將得到的相關函數帶入到Bdl不等式中，如果得到Bell不等式的破壞即大于2的結果，就證明模式糾纏態是存在的。下面我們將利用圖1對整個系統的工作原理進行說明。兩個獨立光源產生的兩束經典相干光分別被當作控制光場和目標光場輸入到模式糾纏產生系統中，其中控制光場處于0和1的疊加態上，而目標光場處于0態或者1態上。這樣兩個場經過CNOT門的作用，就能實現兩個場之間的模式糾纏。具體的作用過程是這樣的當控制光場經過CNOT門的第一個方向耦合器時，控制光場所處的模式疊加態中的模式TE,的部分被耦合到馬赫一增德爾的一個臂上，而模式TEo的部分仍然留在原波導中。而目標場分別處于馬赫一增德爾的兩個臂上，這兩臂上分別裝有兩個半導體光放大器，能產生類似Kerr非線性效應。當控制場的TE,模式部分進入馬赫一增德爾一個臂上的半導體光放大器中時，由于交叉相位調制效應會引起目標場在馬赫一增德爾這一臂上與另一臂上的部分相差一個相位，這一相位與控制場T^模式部分的光強有關。由于控制場輸入的是疊加態，因此TE,模式部分的光強剛好是整個光強的一半。從前面CNOT門的分析可知，當控制場全部處于TE,模式時能夠實現目標場狀態的翻轉，而現在控制場TE,模式的光強剛好一半時，目標場的狀態會由TE。模或者TE,模轉化到兩個模式的疊加態上。當控制場的TEi模式部分經過CNOT門的第二個方向耦合器時，控制場的TEi模式部分會回到原來的波導中，與TE。模式一起還原成模式疊加態。這樣兩個場都形成了模式疊加態，但是這兩個場如何實現糾纏呢？通過研究發現，這兩個獨立光場經過CNOT門的作用后會產生相位相關性。而這種相位相關性通過模式相關測量系統的測量后表現出一種非局域的關聯，產生了Bell不等式被破壞的結果，從而證明了模式糾纏態的存在。下面我們分析模式相關測量系統的工作過程。當兩個場分別經過雙模波導或光纖傳輸到模式相關測量系統后，分別改變兩個模式分析器中的相位調制器，使模式分析器的輸出光強隨之變化，然后經過探測器將光強信號轉變為電流信號。為了對兩個場的相位相關性進行測量，必需將測量得到的模式分析器輸出光電流相減，然后將兩個相減以后的光電流值送入相關器中進行相關分析，最后得到相關函數。為了判斷兩個場是否具有非局域性質，需要將得到的相關函數帶入到Bdl不等式中，看是否能得到大于2的結果。為了證明這一系統是的可行的，我們對整個系統進行了計算機模擬(見圖5)，最后得到的結果如表1所示。表1計算模擬得到的四種態破壞Bdl不等式的情況<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由此可以證明本實用新型所公開的系統能夠實現多光子場的模式糾纏態。這為進一步發展基于這一原理的量子計算和量子通信奠定了基礎。權利要求1.一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置，其特征在于包括相連接的模式糾纏產生系統(1)、模式相關測量系統(8)，模式糾纏產生系統(1)包括控制光場(2)與第一方向耦合器(7)、第二方向耦合器(6)相連接，目標光場(3)與馬赫-增德爾干涉儀(4)相連接，馬赫-增德爾干涉儀(4)兩臂上裝有兩個光學非線性單元(5)，馬赫-增德爾干涉儀(4)一臂上的光學非線性單元(5)通過第一方向耦合器(7)、第二方向耦合器(6)與控制光場(2)相連接；模式相關測量系統(8)包括兩個模式分析器(9)，每個模式分析器(9)都帶有相連接的相位調制器(10)和Y型分支器(11)，Y型分支器(11)的輸出端分別與兩光探測器(12)一端相連接，兩光探測器(12)的另一端與差分器(13)一端相連接，兩差分器(13)另一端與相關分析器(14)相連接，系統中的各個光器件為雙模波導構成的器件，各個光器件之間采用雙模波導連接。2.根據權利要求1所述的一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置，其特征在于所述的雙模波導是指至少容許光場兩個正交模式在其中傳播的波導，其中高階模式被編碼為量子比特1，低階模式被編碼為量子比特O。3.根據權利要求1所述的一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置，其特征在于所述的模式糾纏產生系統(l)是一個能實現控制非羅輯的全光門光路，當控制光場(2)輸入量子比特0時，目標光場(3)的狀態不變；當控制光場(2)輸入量子比特1時，目標光場(3)的狀態翻轉。4.根據權利要求1所述的一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置，其特征在于所述的光學非線性單元(5)是一個能產生三階乂3)非線性的光學介質。5.根據權利要求1所述的一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置，其特征在于所述的控制光場(2)、目標光場(3)是由激光器產生的光場。專利摘要本實用新型公開了一種實現多光子場波導模式糾纏的裝置。包括相連接的模式糾纏產生系統、模式相關測量系統，模式糾纏產生系統包括控制光場與兩方向耦合器相連接，目標光場與馬赫-增德爾干涉儀相連接；模式相關測量系統包括兩個模式分析器，每個模式分析器都帶有相連接的相位調制器和Y型分支器，Y型分支器的輸出端分別與兩光探測器一端相連接，兩光探測器的另一端與差分器一端相連接，兩差分器另一端與相關分析器相連接。本實用新型可以實現雙模波導中兩個光場的橫向模式產生糾纏，并且通過模式相關測量展現出非局域相關性質。這種系統能夠產生適合量子計算和量子保密通信需要的糾纏光源，能夠為量子計算和量子通信的實現提供條件。文檔編號G02F3/00GK201145801SQ20072011068公開日2008年11月5日申請日期2007年6月15日優先權日2007年6月15日發明者建符申請人:浙江大學