[發明專利]基于光子晶體的可集成量子行走器件

有效

• 申請號: 201310154044.5
• 申請日: 2013-04-28
• 公開（公告）號: CN103235362A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 鄭婉華;祁帆;馮志剛;王宇飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及半導體集成光學技術和量子信息科學領域，特別涉及一種基于光子晶體的可集成量子器件。

背景技術

量子信息科學是利用量子效應處理和傳輸信息的新興學科。量子計算作為量子信息處理的核心，從費曼等人提出量子計算機的構想到量子Shor算法的提出，逐漸引起了人們的廣泛關注。基于經典隨機行走的經典算法已經非常成熟并得到了廣泛應用，但目前已有的量子算法屈指可數，構建完善的量子算法成為實現大規模量子計算和量子計算機的關鍵。上世紀90年代人們開始研究量子行走，開始利用量子行走構建新的量子算法，同時還利用量子行走模擬量子系統的演化。

量子信息的理論和實踐都表明，未來的量子信息處理、量子計算機需要大規模的、穩定的量子線路網絡，集成芯片被認為是滿足這兩點的最佳選擇，現代集成電路和計算機業的發展也印證了這一點。當前的量子信息實驗研究基于多種物理載體，但基于光子的量子信息處理具有突出的優勢。光子是飛行的量子比特，其傳播速度是光速，因而具有無可比擬的速度優勢；相比于其他物理載體，光子不容易受外界干擾，對環境的容忍度高；光子的傳播損耗很低，適用于大規模網絡的構建。利用集成電路可以操控電子，而我們也可以在集成光學器件上實現光子的操控。

隨著半導體集成光學技術的成熟，集成光學器件在量子信息處理中的應用也成為現實。2008年英國布里斯托爾大學的Jeremy?O’Brien小組率先利用二氧化硅波導實現了集成光波導結構的量子邏輯門，開辟了量子信息集成化的新紀元。目前人們已經在絕緣體上的硅(SOI)、鈮酸鋰等光學芯片上進行了簡單的量子受控非門(C-NOT)、簡單Shor算法演示、糾纏光子對的制備和操控等等一系列實驗；特別的，量子行走也已在類似的波導結構中實現。

光子的量子行走本質上是一種量子干涉現象。在量子光學理論中，單光子的量子干涉隨時間累積的結果與經典光場的干涉行為一致，量子行走的研究也表明可用經典光場模擬單光子的行走行為。另一方面，只有多光子行走、干涉(如雙光子干涉)才能表現出獨特的量子特性。單光子干涉與多光子干涉在實驗上的區別在于以下兩點：第一，實驗時先后進入干涉區的光子的時間間隔是否大于光子的相干時間：如果在相干時間間隔內輸入兩個或多個光子，則發生多光子干涉，如果前后兩個光子進入的時間間隔大于光子相干時間，則為單光子干涉；第二，單光子干涉的探測為一階關聯函數的探測，一般只需一個探測器，多光子干涉的探測為高階關聯函數的探測，需要多個探測器同時進行探測(如雙光子干涉需要兩個探測器進行復合計數測量)。大量的光量子信息實驗已表明，經典光學器件如分束器、耦合器、反射鏡等都可以直接用來進行光量子操控。正是基于以上結果，此處采用經典光學理論設計量子行走器件。

已有的集成光量子器件都是基于普通波導結構，尺寸在毫米或百微米量級，不利于集成。光子晶體一直被認為是光子集成的理想平臺，其最大優勢在于小型化，尺寸可比已有的基于普通波導的集成光量子器件小一到兩個量級。對量子行走而言，光子晶體還有其特殊之處：

以空氣孔結構的二維平板光子晶體為例。首先它對光場限制的原理可用布拉格反射解釋，光場往往有效地擴展到四排甚至更多排的光子晶體孔中，耦合元素之間空氣孔排數的變化將極大地影響光場的耦合與干涉；其次，光子晶體波導的導波機制與普通波導不同，光子在其中傳導時，可能會被反射多次，出現所謂的慢光效應；最后，光子晶體孔對光子的散射能導致隨機性更強的行走。以上這些特性會使得光子晶體中的量子行走與普通波導中的行走有很大差異。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為解決上述問題，本發明提出了一種可用于量子行走實驗研究和應用的半導體集成光學器件，具有極小尺寸；進一步還可用于探索光子產生和行走一體化器件。

(二)技術方案

本發明基于光子晶體，利用光子晶體波導、微腔等基本單元構成耦合陣列，光在耦合陣列中傳導時經過衍射、反射、耦合等過程，同時發生干涉，最后輸出特定的干涉圖樣。具有這些功能的器件都可實現光子的量子行走。

光子晶體量子行走器件包括耦合波導陣列和耦合微腔陣列兩種結構。兩種結構均由耦合區、輸入端口和輸出端口組成。耦合波導陣列結構的耦合區為相互平行且靠近的光子晶體波導形成的波導陣列；耦合微腔陣列結構的耦合區為相互靠近的光子晶體微腔按一定規則排列形成的陣列。輸入、輸出端口由光子晶體波導或光子晶體微腔組成。耦合區外圍還可以有光子晶體限制層，它的存在只是為量子行走提供了反射邊界，發射邊界下的量子行走只是眾多量子行走形式中的一種。