一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法

1.本发明涉及量子芯片领域，涉及一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法，具体为一种利用半导体芯片上设计光学拓扑绝缘体结构来实现具有拓扑保护性的片上多光子纠缠光源的方案。


背景技术：

2.光量子集成芯片因其具有与cmos工艺兼容、体积小、高集成度和高可调性等优势，是未来光量子领域发展的必然趋势，在量子计算、量子通讯等领域都有重要且广泛应用。
3.量子纠缠光源用来实现纠缠光子对的制备，是光量子芯片的必要组成部分。目前，光量子芯片的加工精度难以保证量子芯片的完全工作，尤其是对加工均一性有高要求的大规模集成的复杂量子线路。同时，纠缠光子对在制备和传输过程中也可能会面临着环境噪声的影响，从而导致纠缠态的保真度和纯度的降低。


技术实现要素：

4.为了实现量子纠缠源在加工误差、基本单元的缺失或增加等各类噪声下，纠缠态依旧能够保持高保真度和高纯度，本发明提供一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法。本发明在半导体芯片上设计光学拓扑绝缘体结构，利用光学拓扑绝缘体边界态的鲁棒性，使得纠缠光源产生的光子处于拓扑边缘态的光学模式中，实现具有拓扑保护性的片上多光子纠缠光源的方案。
5.现有的半导体光量子芯片加工通常有光刻与电子束曝光两种，前者可以加工的芯片面积更大，支持大规模量子线路的制备，但均一性和精度的限制难以保证所有基础元件的工作性能，尤其是对误差和噪声条件要求很高的量子系统。后者拥有更高的加工精度，但加工面积较小，且均一性也存在问题。纠缠光源是绝大部分光量子系统的必要组成部分，因此若能在现有的加工工艺下，设计出具有免疫误差以及噪声对量子态影响的纠缠光源，则可以促进大规模集成量子芯片的发展，同时为噪声环境下量子信息的处理提供一定的保障。
6.针对上述目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种拓扑保护的量子纠缠光源，其特征在于，包括由多个波导谐振环排成二维阵列、马赫曾德尔干涉仪；所述二维阵列中的波导谐振环称为主环，其中任意两相邻主环之间均通过一个连接环进行倏逝波耦合连接，使得所述二维阵列满足反常弗洛凯拓扑绝缘体，所述连接环为波导谐振环；所述马赫曾德尔干涉仪与所述二维阵列的边缘上任一所述主环通过倏逝波耦合连接，用于对输入的泵浦光的分束比和相位进行调制后输入所述反常弗洛凯拓扑绝缘体，对所述反常弗洛凯拓扑绝缘体上下两个边界态同时泵浦；其中泵浦光的波长位于所述反常弗洛凯拓扑绝缘体的拓扑边界态存在的区间内。
8.进一步的，所述连接环作为主环间的耦合载体，满足主环间在频谱上的能量转移效率始终大于50％。
9.进一步的，通过调节所述泵浦光的强度，控制所述泵浦光在所述反常弗洛凯拓扑绝缘体内传输时引起四波混频发生的概率。
10.进一步的，所述二维阵列为m
×
n二维阵列；其中m为每行主环的个数，n为每列主环的个数。
11.进一步的，所述泵浦光通过所述马赫曾德尔干涉仪后以顺时针或者逆时针方向进入所述二维阵列。
12.进一步的，所述马赫曾德尔干涉仪的第一环路中设置一第一电控相移器，用于引入额外相位θ对输入的泵浦光的分束比进行调制，所述马赫曾德尔干涉仪的第二环路中设置第二电控移相器，用于引入额外相位对输入的泵浦光的相位进行调制。
13.一种基于所述量子纠缠光源的光子纠缠态生成方法，其步骤包括：
14.1)先控制泵浦光的频率在反常弗洛凯拓扑绝缘体的拓扑边界态的频率范围内；然后将所述泵浦光输入马赫曾德尔干涉仪；
15.2)马赫曾德尔干涉仪对输入的泵浦光进行调制，使泵浦光等强度的从上下端口耦合进所述反常弗洛凯拓扑绝缘体；当泵浦光的强度小于设定值，泵浦光在所述反常弗洛凯拓扑绝缘体内传输时引起四波混频在同一时刻发生的概率远小于1时，同一时刻产生一对光子，在输出端得到赝自旋向上与向下编码的拓扑保护两光子纠缠态；当泵浦强度进一步提高，得到多光子态输出。
16.本发明内容包括：
17.1.将波导谐振环结构排成m
×
n二维阵列，称为主环(site ring)，其中m为每一行主环的个数，n为每一列主环的个数，一般要求满足n与m大于6即可，近邻的谐振环之间也通过相同的波导谐振环进行倏逝波耦合，这些连接用于耦合连接的波导谐振环称为连接环(link ring)，光源结构如图1所示。连接环作为主环间的耦合载体，只需满足主环间在频谱上的能量转移效率始终大于50％，此时整个阵列参数满足反常弗洛凯拓扑绝缘体(anomalous floquet insulator)的条件，支持赝自旋向上与向下两个绕向的拓扑边界模式，分别称为上边界态与下边界态，拓扑边界模式具有拓扑保护的鲁棒性(robustness)，能够免疫加工的不完美以及一定程度的噪声。
18.2.将马赫曾德尔干涉仪(mzi)集成在整个光学拓扑绝缘体之前，mzi与阵列边缘上的任意一主环通过倏逝波耦合进行连接。外接泵浦光通过mzi后可以以顺时针或者逆时针方向进入拓扑环阵列。mzi的两个电控相移器分别引入额外相位θ和可以对外界泵浦光的分束比和相位进行有效的调制，其传输矩阵可以表示为：
[0019][0020]
3.当泵浦光的波长落在反常弗洛凯拓扑绝缘体的拓扑边界态存在的区间内时，泵浦光在光学拓扑绝缘体内只能依托于两种绕向的拓扑边界模式，具体的绕向取决于输入时的耦合模式的方向。
[0021]
4.泵浦光在波导内传输，由于波导材料本身的非线性效应，可以成为单光子源，以硅为例，硅具有很强的三阶非线性效应，因而泵浦光会发生四波混频效应，吸收两个泵浦
(pump)光子，产生一个信号(signal)光子与一个闲频(idler)光子。通过调节泵浦光的强度，可以控制四波混频发生的概率，当泵浦光足够强时，还有足够的概率发生多光子事件。
[0022]
5.通过控制泵浦条件，对光学拓扑绝缘体上下两个边界态同时泵浦(一束泵浦激光经过马赫曾德尔干涉仪进行分束之后，分别去激发上下边界态，即实现了同时泵浦)，分别可以产生赝自旋编码的两光子纠缠态与多光子纠缠态。在弱泵浦条件下，同时有可以得到贝尔态(bell state)：
[0023][0024]
其中|
↑
》与|
↓
》分别代表光子处于赝自旋向上态与赝自旋向下态，s与i分别代表信号光和闲频光。继而可通过波导将赝自旋编码的纠缠态光子对耦合出阵列，得到路径编码的纠缠态，或者导入二维光栅，得到偏振编码的纠缠态，应用于各种量子体系，如图2所示。
[0025]
本发明的有益效果为：
[0026]
本发明提供了一种具有拓扑保护鲁棒性的量子纠缠光源，因其鲁棒性使得其可以免疫一定程度的加工误差，抵抗相位噪声，甚至在基本环缺失或者增加的情况下，依然保证纠缠态的高保真度与高纯度。这使得复杂的大面积量子集成系统的制备成为可能，也是一种保证量子器件在噪声环境下工作的有效途径。
附图说明
[0027]
图1为器件基本结构示意图；
[0028]
图2为纠缠态的产生过程。
具体实施方式
[0029]
以硅基半导体芯片(soi)为例，对本发明进行实例说明。
[0030]
在器件制备阶段，由于光学拓扑绝缘体的鲁棒性，因此在波导刻蚀加工过程中对波导间耦合强度误差以及引入的相位误差等，对于边界态模式几乎没有影响，保证了后续器件的正常工作，也使得在大规模集成的问题上受均一性的影响较小。
[0031]
而后产生纠缠光子对的过程中，先控制泵浦光的频率在边界态的频率范围内(按照具体参数仿真可以该频率范围。实验上先可调激光器测量拓扑阵列的透射谱，稳定的高透射率区域对应边界态的范围)，经过马赫曾德尔干涉仪的调制后，使泵浦光等强度从上下端口耦合进拓扑环阵列。不同端口入射的泵浦光会分别耦合到上下边界态的模式之中。泵浦光在硅波导中传输，由于硅材料本身有较强的三阶非线性效应，有一定概率发生四波混频过程，吸收两个泵浦光子，产生一个信号光子与一个闲频光子。当泵浦光的强度很弱的时候(一般在激光光率在几mw量级)，四波混频在同一时刻发生的概率远小于1，则可以使得同一时刻最多只产生一对光子，因而在输出端可以得到赝自旋向上与向下编码的纠缠态当泵浦强度进一步提高，则可以得到多光子态。产生的信号光子与闲频光子一方面受到四波混频过程相位匹配条件的约束，另一方面也要满足边界态的传输模式。因此，得到的纠缠态也具有拓扑保护鲁棒性。
[0032]
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。