一种Toffoli光量子逻辑门的制作方法

本技术属于光量子信息，具体而言，涉及一种toffoli光量子逻辑门。

背景技术：

1、光量子逻辑门是一种基于光量子比特的逻辑门，利用光的量子特性进行计算，实现光量子比特之间的相互作用和逻辑运算。toffoli光量子逻辑门又被称作控-控-非门（英文：controlled-controlled-not gate，缩写：ccnot），是由托玛索·托佛利（tommasotoffoli）提出的通用可逆逻辑门，具有三个输入和三个输出，任意可逆电路可由托佛利门构造得到。

2、toffoli门的功能为： 如果前两个输入逻辑数为1，也即是两个控制比特均为1时，则第三个输出端口逻辑数是第三个输入端口逻辑数的翻转数，也即是实现目标比特的翻转，而其它的输出端口逻辑数与对应的输入端口逻辑数保持不变。三个输入端a、b、c映射到三个输出端的结果为a、b、c⊕ab，整体输入和输出的真值表如表1所示。

3、表1

4、

5、在以光子为物理载体的计算体系中，光量子逻辑门的实现依赖于光的非线性效应，通过改变光的相位和幅度来实现逻辑运算，然而由于光学非线性效应效率低，因此难以实现确定性的toffoli光量子逻辑门。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种toffoli光量子逻辑门，将光子作为输入比特，利用光电混合技术，实现确定性的toffoli光量子逻辑门，提高了光子计算和逻辑处理的效率，其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种toffoli光量子逻辑门，包括第一控制比特光处理模块、第二控制比特光处理模块、目标比特光处理模块、电处理模块、激光器、目标比特映射执行模块、三个光放大器和三个输出耦合模块；

3、第一控制比特光处理模块、第二控制比特光处理模块和目标比特光处理模块均具有两个输出端且三个光处理模块的输出上端均与电处理模块连接，三个光处理模块的输出下端与三个光放大器一一对应连接，三个光处理模块均用于对光强为0或光强为p的光脉冲处理，使一部分光脉冲转换为包含光强信息的电压信号并传输至电处理模块，另一部分光脉冲直接传输至相应的光放大器；与两个控制比特光处理模块一一对应连接的两个光放大器其输出端与两个输出耦合模块一一对应连接；

4、电处理模块基于三个光处理模块输入的包含光强信息的电压信号并结合预设在其内的查找表输出第一控制模拟信号和第二控制模拟信号，电处理模块分别与激光器和目标比特映射执行模块连接，第一控制模拟信号传输至目标比特映射执行模块，第二控制模拟信号传输至激光器；

5、三个光放大器均用于将接收的光脉冲光强放大到与相应连接的光处理模块输入端的光强一致；目标比特映射执行模块具有两个输入端和两个输出端，其输入上端与激光器连接，输入下端与目标比特光处理模块相应连接的光放大器连接，其输出上端为无效输出端，输出下端与另一个输出耦合模块连接；三个输出耦合模块均用于将接收的光脉冲耦合输出；激光器基于第二控制模拟信号输出光强为0或光强为p的光脉冲，目标比特映射执行模块基于第一控制模拟信号将其输入端输入的光脉冲以交叉状态或直通状态输出。

6、进一步地，还包括三个延时模块，分别用于对相应光处理模块输出下端输出的光脉冲延时处理，使三个输出耦合模块同时接收相应的光脉冲，三个延时模块的输入端与三个光处理模块的输出下端一一对应连接，三个延时模块的输出端与三个光放大器的输入端一一对应连接。

7、进一步地，查找表的配置关系为：第一控制比特光处理模块和第二控制比特光处理模块处理的光脉冲强度至少有一个为0时，则电处理模块输出的第一控制模拟信号为v//，输出的第二控制模拟信号为q0；若第一控制比特光处理模块和第二控制比特光处理模块处理的光脉冲强度均为p，目标比特光处理模块处理的光脉冲强度为0，则电处理模块输出的第一控制模拟信号为vx，输出的第二控制模拟信号为q1；若第一控制比特光处理模块、第二控制比特光处理模块和目标比特光处理模块处理的光脉冲强度均为p，则电处理模块输出的第一控制模拟信号为vx，输出的第二控制模拟信号为q0；其中v//表示第一控制模拟信号作用于目标比特映射执行模块时，目标比特映射执行模块将其输入端输入的光脉冲以直通状态输出；vx表示第一控制模拟信号作用于目标比特映射执行模块时，目标比特映射执行模块将其输入端输入的光脉冲以交叉状态输出；q1表示第二控制模拟信号作用于激光器时，激光器输出强度为p的光脉冲；q0表示第二控制模拟信号作用于激光器时，激光器输出强度为0的光脉冲。

8、进一步地，第一控制比特光处理模块、第二控制比特光处理模块和目标比特光处理模块均包括耦合输入模块、波导分束器和光电探测器，波导分束器具有两个输入端和两个输出端，其输入上端为无效输入端，输入下端与耦合输入模块连接，输出上端与光电探测器连接，输出下端与相应的光放大器连接；耦合输入模块用于接收光脉冲并将光脉冲耦合输入至波导分束器；波导分束器用于将接收的光脉冲分束，使一部分光输入至光电探测器，另一部分光输入至相应的光放大器；光电探测器用于探测从波导分束器输出上端输出的光束的强度，并将光强信号转换为电压信号。

9、进一步地，电处理模块包括三个模数转换器、一个可编程逻辑门阵列和两个数模转换器；三个模数转换器分别为第一模数转换器、第二模数转换器和第三模数转换器，两个数模转换器分别为第一数模转换器和第二数模转换器；第一模数转换器与第一控制比特光处理模块的输出上端连接，第二模数转换器与第二控制比特光处理模块的输出上端连接，第三模数转换器与目标比特光处理模块的输出上端连接，模数转换器用于接收对应光处理模块输出的电压信号并将电压信号转换为数字信号同时将数字信号传输给可编程逻辑门阵列；可编程逻辑门阵列具有三个输入端和两个输出端，用于接收三个模数转换器输出的数字信号并根据其预先内置的查找表输出第一控制数字信号和第二控制数字信号，可编程逻辑门阵列的两个输出端连接相应的数模转换器，第一数模转换器用于接收第一控制数字信号并将第一控制数字信号转换为第一控制模拟信号且将第一控制模拟信号作用于目标比特映射执行模块；第二数模转换器用于接收第二控制数字信号并将第二控制数字信号转换为第二控制模拟信号且将第二控制模拟信号作用于激光器。

10、优选地，目标比特映射执行模块为mz干涉仪，包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器和相位调制器，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端和第二50:50分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端和第二50:50分束器的输入下端，相位调制器设置在干涉上臂或干涉下臂上；第一50:50分束器的输入上端与激光器连接，其输入下端与目标比特光放大器的输出端连接；第二50:50分束器的输出上端为无效输出端，其输出下端与目标比特输出耦合模块连接；电处理模块与相位调制器连接。

11、优选地，延时模块为可调光延时芯片。

12、进一步地，第一控制比特光处理模块、第二控制比特光处理模块和目标比特光处理模块还均包括具有两个输出端的光束分配器，光束分配器与耦合输入模块的输出端连接且其输出下端与波导分束器的输入下端连接，其输出上端无效输出端，光束分配器用于对输入的光脉冲路径分配，使接收的光脉冲从其输出上端输出或从其输出下端输出至波导分束器。

13、优选地，波导分束器为固定分束比分束器。

14、优选地，光束分配器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。

15、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：

16、本技术提供了一种toffoli光量子逻辑门，通过三个光处理模块对输入的三路光脉冲进行处理，每一路光脉冲经过相应的光处理模块处理后输出两部分信号，一部分输出包含光强信息的电压信号，另一部分输出部分光脉冲且部分光脉冲经过相应的光放大器处理后放大到与相应连接的光处理模块输入端的光强一致，三路包含光强信息的电压信号同时输入至电处理模块，电处理模块根据接受的三路电压信号和其内预设的查找表输出两个控制模拟信号，分别作用于目标比特映射执行模块和激光器，目标比特映射执行模块设置在目标比特光放大器的输出光路上且激光器与目标比特映射执行模块连接，激光器基于作用于其上的控制模拟信号输出光强为0或输出相应光强的光脉冲，目标比特映射执行模块基于作用于其上的控制模拟信号将其输入端输入的光脉冲以交叉状态或直通状态输出，最终实现toffoli门的真值表。本技术以输入光子作为输入比特，利用光电混合处理，实现确定性的toffoli光量子逻辑门，而不是概率性实现toffoli门，提高了光子计算和逻辑处理的效率。