一种Fredkin量子逻辑门的制作方法

本技术属于量子信息，具体而言，涉及一种fredkin量子逻辑门。

背景技术：

1、量子计算是一种新型计算模型，是量子物理学与计算机科学、信息科学相结合而产生的一门新型交叉学科。通过利用量子物理中诸如纠缠、叠加态等性质实现量子计算，在一些特定问题较经典计算效率具有较大优势。一个量子比特(qubit)可以处于量子态|0>与量子态|1>的任意复系数组成的线性叠加态|ψ>＝α|0>+β|1>上。量子计算通过逻辑门操作量子比特，对应的用于操作量子比特的逻辑门可以成为量子逻辑门或量子门。

2、fredkin量子逻辑门是量子计算中一种重要的三比特量子逻辑门，是三量子比特的控制交换门，当控制比特处于态|0>时，两个目标量子比特不变；当控制比特处于态|1>时，两个目标量子比特交换它们的状态。近年来，有大量的量子可逆逻辑电路被提出。fredkin量子逻辑门(也称为受控交换门)作为一种常用的可逆逻辑门，有着广泛的使用。

3、片上量子横向波导模式编码可在多模波导、多模光纤中传播，光在波导中传播可以有多种波导模式，因而波导模式能够用于高维编码过程，这将大大拓展单比特通信和计算的信息容量，因此本技术提出一种采用横向波导模式编码的fredkin量子逻辑门。

技术实现思路

1、基于上述内容，本技术提供一种fredkin量子逻辑门，通过采用4个受控非门以及路径转换模块、偏振模式转换器、偏振分束器、半波片、偏振模式反向转换器、单光子探测器形成基于横向波导模式编码的fredkin量子逻辑门，具体方案如下：

2、本技术公开了一种fredkin量子逻辑门，包括控制传输波导、第一受控非门、第二受控非门、第三受控非门、第四受控非门、第一路径转换模块、第二路径转换模块、第一偏振模式转换器、第二偏振模式转换器、第三偏振模式转换器、第四偏振模式转换器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振模式反向转换器、第二偏振模式反向转换器、第一单光子探测器、第二单光子探测器；

3、所述控制传输波导用于接收、传输和输出te0模光子或te1模光子；

4、所述第一路径转换模块和所述第二路径转换模块均包括入射端、输出上端和输出下端，所述第一路径转换模块用于将接收的te0模光子从其输出上端输出或将接收的te1模光子从其输出下端输出，所述第二路径转换模块用于将接收的te0模光子从其输出下端输出或将接收的te1模光子从其输出上端输出，所述第一路径转换模块的输出上端与所述第一偏振模式转换器的输入端连接，所述第一路径转换模块的输出下端与所述第二偏振模式转换器的输入端连接，所述第二路径转换模块的输出上端与所述第三偏振模式转换器的输入端连接，所述第二路径转换模块的输出下端与所述第四偏振模式转换器的输入端连接；

5、所述第一受控非门、所述第二受控非门、所述第三受控非门、所述第四受控非门的控制位串联并依次设置在所述控制传输波导上，所述第一受控非门的目标位设置在所述第一路径转换模块的输出上端与所述第一偏振模式转换器的传输路径上，所述第二受控非门的目标位设置在所述第一路径转换模块的输出下端与所述第二偏振模式转换器的传输路径上，所述第三受控非门的目标位设置在所述第二路径转换模块的输出上端与所述第三偏振模式转换器的传输路径上，所述第四受控非门的目标位设置在所述第二路径转换模块的输出下端与所述第四偏振模式转换器的传输路径上；

6、所述第一偏振模式转换器、所述第二偏振模式转换器、所述第三偏振模式转换器和所述第四偏振模式转换器均用于将输入的te0模光子输出或将输入的te1模光子转换为tm0模光子并输出；

7、所述第一偏振分束器、所述第二偏振分束器、所述第三偏振分束器和所述第四偏振分束器均包括输入上端、输入下端、输出上端和输出下端，用于将输入上/下端接收的te0模光子从其异侧的输出端输出或将输入上/下端接收的tm0模光子从其同侧的输出端输出；所述第一偏振分束器的输入上端与所述第二偏振模式转换器的输出端连接，所述第一偏振分束器的输入下端与所述第三偏振模式转换器的输出端连接，所述第一偏振分束器的输出上端与所述第一半波片的输入端连接，所述第一偏振分束器的输出下端与所述第三半波片的输入端连接；所述第二偏振分束器的输入上端与所述第一偏振模式转换器的输出端连接，所述第二偏振分束器的输入下端与所述第四偏振模式转换器的输出端连接，所述第二偏振分束器的输出上端与所述第四半波片的输入端连接，所述第二偏振分束器的输出下端与所述第二半波片的输入端连接；

8、所述第一半波片、所述第二半波片、所述第三半波片和所述第四半波片用于改变输入光子的偏振特性，所述第一半波片和所述第三半波片的光轴角度为67.5度，所述第二半波片和所述第四半波片的光轴角度为22.5度；所述第一半波片的输出端连接所述第三偏振分束器的输入上端，所述第二半波片的输出端连接所述第三偏振分束器的输入下端，所述第三半波片的输出端连接所述第四偏振分束器的输入下端，所述第四半波片的输出端连接所述第四偏振分束器的输入上端；所述第三偏振分束器的输出上端与所述第一偏振模式反向转换器的输入端连接，所述第三偏振分束器的输出下端与所述第一单光子探测器连接，所述第四偏振分束器的输出上端与所述第二单光子探测器连接，所述第四偏振分束器的输出下端与所述第二偏振模式反向转换器的输入端连接；

9、所述第一单光子探测器用于探测所述第三偏振分束器的输出下端输出的光子，所述第二单光子探测器用于探测所述第四偏振分束器的输出上端输出的光子；

10、所述第一偏振模式反向转换器和所述第二偏振模式反向转换器用于将接收的te0模光子直接输出或将接收的tm0模光子转换为te1模光子输出。

11、进一步地，所述控制传输波导、所述第一受控非门、所述第二受控非门、所述第三受控非门、所述第四受控非门、所述第一路径转换模块、所述第二路径转换模块、所述第一偏振模式转换器、所述第二偏振模式转换器、所述第三偏振模式转换器、所述第四偏振模式转换器、所述第一偏振分束器、所述第二偏振分束器、所述第三偏振分束器、所述第四偏振分束器、所述第一半波片、所述第二半波片、所述第三半波片、所述第四半波片、所述第一偏振模式反向转换器、所述第二偏振模式反向转换器、所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

12、进一步地，所述第一路径转换模块和所述第二路径转换模块均由第一横向波导模式转换器和第二横向波导模式转换器组成，所述第一横向波导模式转换器用于将接收的te0模光子输出或将接收的te1模光子转换为te0模光子；所述第二横向波导模式转换器用于将所述第一横向波导模式转换器转换获取的te0模光子转换为te1模光子并输出。

13、进一步地，所述第一偏振模式转换器、所述第二偏振模式转换器、所述第三偏振模式转换器和所述第四偏振模式转换器均由依次连接的第一矩形宽波导、第一锥形波导和第一矩形窄波导组成。

14、进一步地，所述第一偏振模式反向转换器和所述第二偏振模式反向转换器均由依次连接的第二矩形窄波导、第二锥形波导和第二矩形宽波导组成。

15、进一步地，所述第一横向波导模式转换器包括第一主线直波导以及依次相连的第一耦合区光波导、第一弯曲光波导、第一传输直波导，所述第一耦合区光波导与所述第一主线直波导形成倏逝耦合区；所述第二横向波导模式转换器包括第二主线直波导以及依次相连的第二耦合区光波导、第二弯曲光波导、第二传输直波导，所述第二耦合区光波导与所述第二主线直波导形成倏逝耦合区；所述第一横向波导模式转换器的第一传输直波导与所述第二横向波导模式转换器的第二传输直波导连接。

16、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

17、本技术通过采用4个受控非门以及路径转换模块、偏振模式转换器、偏振分束器、半波片、偏振模式反向转换器、单光子探测器实现基于横向波导模式编码的fredkin量子逻辑门功能，结构简单紧凑、光路稳定性高，可以通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。