专利名称：实现多光子场波导模式纠缠的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成平面光波导技术在量子计算和量子通信领域的应用，尤其涉及一种实现多光子场波导模式纠缠的系统。
背景技术：
量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学基本原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。近年来，量子信息学成为了一个有希望在计算、通信、精密测量以及基础量子学等方面带来革命性进展的研究领域。随着一些重要研究进展的出现，九十年代中期量子信息学进入了一个蓬勃发展的新时期。这些重要研究的进展中最具影响力的是Peter Shor证明了量子计算机能够极其有效地进行大数的因式分解，而大数因式分解的复杂性正是保证商用RSA加密技术难以破解的关键所在，量子计算对传统的加密技术提出了挑战。然而幸运的是，同样利用量子力学的基本原理，量子通信和量子密码技术却为信息传输提供了一种从物理原理上保证不可破解的全新的保密技术。由此可以看出，由量子计算、量子通信和量子密码构成的量子信息学给信息技术的发展带来的是一场全方位、深层次的革命。目前，量子信息技术的研究已经进入了一个发展的新阶段，量子密码技术已经开始进入实用化，量子计算和量子通信也已经在实验上证明了其可行性。
众多的研究已经揭示出实现量子计算和量子通信的关键在于量子纠缠。量子纠缠是量子系统展示出的一种奇特的非局域性质，它体现在对空间分隔的两个粒子的进行相关测量上，这种非局域性质的判别依据是Bell不等式的破坏。这种量子态可以利用量子计算的控制非门实现，当控制位处于0和1的叠加态，而目标位处于0或者1态时，控制非门的输出就是量子纠缠态。研究证明量子计算是否具有超越经典计算能力的关键在于控制非门能否实现量子纠缠态。同时量子纠缠态又是实现量子隐形传态的关键，基于量子隐形传态能够实现更为安全和高速的量子保密通信技术。因此，可以认为量子纠缠态的实现是量子信息技术的最重要、最关键的问题之一。
在众多的量子计算和量子通信实现方案中，光子被认为是实现量子计算和量子通信的最理想载体之一，一方面因为光子与周围环境的相互作用非常弱，在传输和操作过程中能够保持良好的相干性，克服量子退相干效应的影响；另一方面因为光子以光速传播能够实现量子状态的高速操作和转移，并且能够通过光纤实现远距离量子通信。虽然基于光子的量子计算具有众多的优点，但是由于光子与光子之间的相互作用非常弱，实现单光子的量子控制非门非常困难，这也是实现基于光子技术的量子计算和量子通信需要解决最重要的问题。
近年来，为了满足光纤通信技术的需求，集成平面光波导技术得到了迅速发展。与集成电路的发展相似，许多分立的光学器件逐步被集成平面光波导器件所替代，如光开关、波分复用器、光耦合器、光放大器等，这些器件已经广泛地应用在光纤通信系统中。随着集成平面光波导技术的发展，特别是光子晶体等新一代集成光学技术的发展，基于光子的信息处理将进入一个全光的集成化时代。众所周知，在集成平面光波导中，光场被约束在一个具有较高折射率的芯层区域内，会产生一系列不连续的横向本征模式，这些本征模式对应着离散的传播常数。这些离散的模式与量子态之间许多性质完全相似，同样具有测不准原理以及在Wigner表象下存在负值区域等，这种相似性质更深层次的原因在于描述电磁场的麦克斯韦方程与描述量子的薛定谔方程之间的相似性。一些研究进一步指出经典电磁场可以当成单光子的量子波函数，这样麦克斯韦方程就可以表述为矩阵形式的薛定谔方程。由此可以看出，波导中光场的横向模式完全具有与量子波函数相类似的性质。量子态能够实现的量子纠缠性质，基于多光子场的波导模式也能实现类似的非局域性质。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现多光子场波导模式纠缠的系统。
实现多光子场波导模式纠缠的系统包括相连接的模式纠缠产生系统、模式相关测量系统，模式纠缠产生系统包括控制光场与第一方向耦合器、第二方向耦合器相连接，目标光场与马赫-增德尔干涉仪相连接，马赫-增德尔干涉仪两臂上装有两个光学非线性单元，马赫-增德尔干涉仪一臂上的光学非线性单元通过第一方向耦合器、第二方向耦合器与控制光场相连接；模式相关测量系统包括两个模式分析器，每个模式分析器都带有相连接的相位调制器和Y型分支器，Y型分支器的输出端分别与两光探测器一端相连接，两光探测器的另一端与差分器一端相连接，两差分器另一端与相关分析器相连接，系统中的各个光器件为双模波导构成的器件，各个光器件之间采用双模波导连接。
所述的双模波导是指至少容许光场两个正交模式在其中传播的波导，其中高阶模式被编码为量子比特1，低阶模式被编码为量子比特0。
模式纠缠产生系统是一个能实现控制非罗辑的全光门光路，当控制光场输入量子比特0时，目标光场的状态不变；当控制光场输入量子比特1时，目标光场的状态翻转。光学非线性单元是一个能产生三阶x(3)非线性或类似效应的光学介质。能产生三阶X(3)非线性或类似效应的光学介质为Kerr介质、半导体光放大器或电磁诱导透明介质。控制光场、目标光场是由激光器产生的光场。
本发明利用波导中光场横向模式与量子态之间的相似性，提出了一种实现多光子场波导模式纠缠的新方法。这种方法用双模波导的两个正交模式作为量子比特的“0”和“1”，通过波导模式耦合器、马赫-增德尔干涉仪以及半导体光放大器(SOA)等非线性器件构成的量子控制非门，实现了两个光场间波导模式的纠缠。本发明公开的多光子场波导模式纠缠的系统，从编码方式到实现方法具有创新性和独特性。此外，由于采用的是多光子场，半导体光放大器(SOA)产生的交叉相位调制效应完全可以实现控制位和目标位之间模式转换和控制，避免了单光子量子控制非门实现的困难，在现有实验条件下就能够实现。这一点可以从光纤通信中已经广泛使用的基于SOA的全光开关和全光波长转换器得到证实。因此这一发明具有实用性。
图1是实现多光子场波导模式纠缠系统结构示意图；图2(a)是编码为0的波导模式电场分布示意图；图2(b)编码为1的波导模式电场分布示意图；图3(a)是控制位为0，目标位为0的控制非逻辑实现的计算机模拟示意图；图3(b)是控制位为0，目标位为1的控制非逻辑实现的计算机模拟示意图；图3(c)是控制位为1，目标位为0的控制非逻辑实现的计算机模拟示意图；图3(d)是控制位为1，目标位为1的控制非逻辑实现的计算机模拟示意图；图4是模式纠缠相关测量方案的计算机模拟图；图中模式纠缠产生系统1、控制光场2、目标光场3、马赫-增德尔干涉仪4、光学非线性单元5、第二方向耦合器6、第一方向耦合器7、模式相关测量系统8、模式分析器9、相位调制器10、Y型分支器11、光探测器12、差分器13、相关分析器14。
具体实施例方式
本发明包括模式纠缠产生系统和模式相关测量系统，且通过双模波导或光纤将两个系统连接起来。
模式纠缠产生系统是一个由多个双模波导光学器件构成的组件，它包括两个输入端口，其作用是将两个光场分别作为控制场和目标场引入到系统中；两个输出端口，其作用是将两个产生纠缠的场输出到测量系统中；一个马赫-增德尔干涉仪，其两臂上装有两个光学非线性单元，且其中一臂与另一根波导形成两个方向耦合器，其两端分别与目标场的输入输出端口相连，作用是实现目标场波导模式的转换；一个双模波导，与马赫-增德尔干涉仪的一臂形成两个方向耦合器，在两个方向耦合器之间装有一个相位调制器，其两端分别与控制场的输入输出端口相连，作用是将控制场中的特定模式耦合到马赫-增德尔干涉仪的一臂上，实现对目标场模式转换的控制。
模式相关测量系统包括两个模式分析器，其输入端分别与模式纠缠产生系统的输出端相连，且每个模式分析器拥有两个输出端分别与光探测器相连，其作用是对两个光场的模式叠加态进行局域操作；四个光探测器，分别与模式分析器的输出端口相连，其作用是将光强信号转化为电信号；两个差分器，其作用是分别将两对光探测器的输出电信号进行相减，输出差分电信号；相关分析器，其作用是将两个差分电信号进行相关分析。
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式
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如图1所示，实现多光子场波导模式纠缠的系统包括相连接的模式纠缠产生系统1、模式相关测量系统8，模式纠缠产生系统1包括控制光场2与第一方向耦合器7、第二方向耦合器6相连接，目标光场3与马赫-增德尔干涉仪4相连接，马赫-增德尔干涉仪4两臂上装有两个光学非线性单元5，马赫-增德尔干涉仪4一臂上的光学非线性单元5通过第一方向耦合器7、第二方向耦合器6与控制光场2相连接；模式相关测量系统8包括两个模式分析器9，每个模式分析器9都带有相连接的相位调制器10和Y型分支器11，Y型分支器11的输出端分别与两光探测器12一端相连接，两光探测器12的另一端与差分器13一端相连接，两差分器13另一端与相关分析器14相连接，系统中的各个光器件为双模波导构成的器件，各个光器件之间采用双模波导连接。
所述的双模波导是指至少容许光场两个正交模式在其中传播的波导，其中高阶模式被编码为量子比特1，低阶模式被编码为量子比特0。模式纠缠产生系统1是一个能实现控制非罗辑的全光门光路，当控制光场2输入量子比特0时，目标光场3的状态不变；当控制光场2输入量子比特1时，目标光场3的状态翻转。光学非线性单元5是一个能产生三阶x(3)非线性或类似效应的光学介质。能产生三阶x(3)非线性或类似效应的光学介质为Kerr介质、半导体光放大器或电磁诱导透明介质。控制光场2、目标光场3是由激光器产生的光场。
本发明的模式纠缠产生系统实际上是基于光场波导模式的量子计算方案的控制非门。为了能将本发明的具体实施方式
介绍清楚，下面先对基于光场波导模式的量子计算方案以及控制非门进行介绍。
基于光场波导模式的量子计算方案是利用光场被约束在一个具有较高折射率的芯层区域内时所产生的两个相互正交的本征模式进行量子比特编码。这里选定TE0模和TE1模分别作为量子比特的0和1，这两个模式在波导截面的电场强度分布(见图2)。双模波导中，不仅容许这两个模式在其中传播，而且这两个模式的叠加态也可以在其中传播，这完全类似于量子力学中的叠加态，只是叠加系数的物理含义不同。这种量子计算方案正是利用了这种叠加性质。实现量子计算的关键在于两量子比特控制非门(CNOT)的实现。本发明公开的一种基于波导模式的量子计算控制非门是由一个马赫-增德尔干涉仪、两个方向耦合器以及类似Kerr非线性介质构成的(如图1所示)。利用这些光波导器件对波导模式的耦合和转换，进一步由半导体光放大器SOA(也可以是其他Kerr非线性介质)产生大的交叉相位调制效应，CNOT门可以实现量子比特间控制非的逻辑，图3显示了通过计算机模拟得到的CNOT门实现的控制非门逻辑，其中图(a)、(b)是控制位输入为0时，目标位输出不变；图(c)、(d)是控制位输入为1时，目标位输出状态翻转，即1→0和0→1。这种CNOT门在现有实验条件下实现是不困难的，这是由于方案中采用的光场是经典场，在光强上没有限制，因此SOA产生的相位调制作用完全可以实现模式的转换，目前基于SOA的全光开关以及波长转换器在光纤通信系统中已经得到实际应用能够说明这一点。众所周知，量子纠缠态可以通过量子计算的CNOT门来实现，同时这也是验证一个方案是否能真正实现量子计算的依据。当CNOT门控制位输入0和1的叠加态，而目标位输入0或1态时，CNOT门的输出为量子纠缠态。本发明将图3显示的CNOT门作为模式纠缠态的实现工具。
由量子控制非门产生了模式纠缠态之后，纠缠的两个场分别被双模波导或光纤送入到模式相关测量系统中。模式相关测量系统分别由两个空间分隔的模式分析器、光探测器以及相关器等构成。模式分析器由相位调制器和Y型分支器构成，能够对模式叠加态进行投影测量。当模式叠加态输入到模式分析器中，通过相位调制器的改变，模式分析器的两个输出端口的光强会随之变化，从而实现对模式叠加态的投影测量。在基于Bell不等式的相关测量中，需要利用模式分析器对模式纠缠态中的两个经典场进行局域操作和测量，然后将测量的光电流相减并进行相关分析，然后将得到的相关函数带入到Bell不等式中，如果得到Bell不等式的破坏即大于2的结果，就证明模式纠缠态是存在的。下面我们将利用图1对整个系统的工作原理进行说明。
两个独立光源产生的两束经典相干光分别被当作控制光场和目标光场输入到模式纠缠产生系统中，其中控制光场处于0和1的叠加态上，而目标光场处于0态或者1态上。这样两个场经过CNOT门的作用，就能实现两个场之间的模式纠缠。具体的作用过程是这样的当控制光场经过CNOT门的第一个方向耦合器时，控制光场所处的模式叠加态中的模式TE1的部分被耦合到马赫-增德尔的一个臂上，而模式TE0的部分仍然留在原波导中。而目标场分别处于马赫-增德尔的两个臂上，这两臂上分别装有两个半导体光放大器，能产生类似Kerr非线性效应。当控制场的TE1模式部分进入马赫-增德尔一个臂上的半导体光放大器中时，由于交叉相位调制效应会引起目标场在马赫-增德尔这一臂上与另一臂上的部分相差一个相位，这一相位与控制场TE1模式部分的光强有关。由于控制场输入的是叠加态，因此TE1模式部分的光强刚好是整个光强的一半。从前面CNOT门的分析可知，当控制场全部处于TE1模式时能够实现目标场状态的翻转，而现在控制场TE1模式的光强刚好一半时，目标场的状态会由TE0模或者TE1模转化到两个模式的叠加态上。当控制场的TE1模式部分经过CNOT门的第二个方向耦合器时，控制场的TE1模式部分会回到原来的波导中，与TE0模式一起还原成模式叠加态。这样两个场都形成了模式叠加态，但是这两个场如何实现纠缠呢？通过研究发现，这两个独立光场经过CNOT门的作用后会产生相位相关性。而这种相位相关性通过模式相关测量系统的测量后表现出一种非局域的关联，产生了Bell不等式被破坏的结果，从而证明了模式纠缠态的存在。下面我们分析模式相关测量系统的工作过程。当两个场分别经过双模波导或光纤传输到模式相关测量系统后，分别改变两个模式分析器中的相位调制器，使模式分析器的输出光强随之变化，然后经过探测器将光强信号转变为电流信号。为了对两个场的相位相关性进行测量，必需将测量得到的模式分析器输出光电流相减，然后将两个相减以后的光电流值送入相关器中进行相关分析，最后得到相关函数。为了判断两个场是否具有非局域性质，需要将得到的相关函数带入到Bell不等式中，看是否能得到大于2的结果。为了证明这一系统是的可行的，我们对整个系统进行了计算机模拟(见图5)，最后得到的结果如表1所示。
表1计算模拟得到的四种态破坏Bell不等式的情况
由此可以证明本发明所公开的系统能够实现多光子场的模式纠缠态。这为进一步发展基于这一原理的量子计算和量子通信奠定了基础。
权利要求
1.一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，其特征在于包括相连接的模式纠缠产生系统(1)、模式相关测量系统(8)，模式纠缠产生系统(1)包括控制光场(2)与第一方向耦合器(7)、第二方向耦合器(6)相连接，目标光场(3)与马赫-增德尔干涉仪(4)相连接，马赫-增德尔干涉仪(4)两臂上装有两个光学非线性单元(5)，马赫-增德尔干涉仪(4)一臂上的光学非线性单元(5)通过第一方向耦合器(7)、第二方向耦合器(6)与控制光场(2)相连接；模式相关测量系统(8)包括两个模式分析器(9)，每个模式分析器(9)都带有相连接的相位调制器(10)和Y型分支器(11)，Y型分支器(11)的输出端分别与两光探测器(12)一端相连接，两光探测器(12)的另一端与差分器(13)一端相连接，两差分器(13)另一端与相关分析器(14)相连接，系统中的各个光器件为双模波导构成的器件，各个光器件之间采用双模波导连接。
2.根据权利要求1所述的一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，其特征在于所述的双模波导是指至少容许光场两个正交模式在其中传播的波导，其中高阶模式被编码为量子比特1，低阶模式被编码为量子比特0。
3.根据权利要求1所述的一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，其特征在于所述的模式纠缠产生系统(1)是一个能实现控制非罗辑的全光门光路，当控制光场(2)输入量子比特0时，目标光场(3)的状态不变；当控制光场(2)输入量子比特1时，目标光场(3)的状态翻转。
4.根据权利要求1所述的一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，其特征在于所述的光学非线性单元(5)是一个能产生三阶x(3)非线性或类似效应的光学介质。
5.根据权利要求1所述的一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，其特征在于所述的能产生三阶x(3)非线性或类似效应的光学介质为Kerr介质、半导体光放大器或电磁诱导透明介质。
6.根据权利要求1所述的一种实现多光子场波导模式纠缠的系统，其特征在于所述的控制光场(2)、目标光场(3)是由激光器产生的光场。
全文摘要
本发明公开了一种实现多光子场波导模式纠缠的系统。包括相连接的模式纠缠产生系统、模式相关测量系统，模式纠缠产生系统包括控制光场与两方向耦合器相连接，目标光场与马赫—增德尔干涉仪相连接；模式相关测量系统包括两个模式分析器，每个模式分析器都带有相连接的相位调制器和Y型分支器，Y型分支器的输出端分别与两光探测器一端相连接，两光探测器的另一端与差分器一端相连接，两差分器另一端与相关分析器相连接。本发明可以实现双模波导中两个光场的横向模式产生纠缠，并且通过模式相关测量展现出非局域相关性质。这种系统能够产生适合量子计算和量子保密通信需要的纠缠光源，能够为量子计算和量子通信的实现提供条件。
文档编号G02F1/365GK101071249SQ20071006933
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者符建 申请人:浙江大学