[發明專利]單光子全光量子路由系統及方法

有效

• 申請號: 201911051815.1
• 申請日: 2019-10-31
• 公開（公告）號: CN112751625B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 曹聰;樊玲;張茹
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04Q11/00
• 代理公司: 北京華圣典睿知識產權代理有限公司 11510
• 代理人: 趙景平

1.一種單光子全光量子路由系統，其特征在于，所述系統包括：輸入裝置、光子波導(L0)、媒介裝置、以及輸出裝置；所述輸入裝置與所述光子波導(L0)通過第一光開關(W1)連接，所述輸出裝置與所述光子波導(L0)通過第二光開關(W2)連接；

所述輸入裝置包括：控制輸入單元和信號輸入單元；其中，所述控制輸入單元包括第一四分之一玻片(U11)，用于對輸入的控制光子量子比特進行單光子偏振變換，得到不同偏振狀態的控制光子；所述信號輸入單元包括第一偏振極化分束器(P1)，用于將輸入的信號光子量子比特分成兩路信號光子量子態；

所述媒介裝置包括：與所述光子波導(L0)相耦合的微腔(C0)，在所述微腔(C0)內設置有輔助系統(S0)，所述輔助系統(S0)分別與所述光子波導(L0)中傳輸的控制光子及兩路信號光子量子態作用，使所述信號光子量子比特根據所述控制光子產生狀態變化；

所述輸出裝置包括控制輸出單元和信號輸出單元；其中，所述控制輸出單元包括依次串聯連接的第一玻片(U31)和第二四分之一玻片(U12)；所述信號輸出單元包括依次連接的半玻片組、第二偏振極化分束器(P2)、玻片組，所述半玻片組包括并聯連接的第一半玻片(U21)和第二半玻片(U22)，所述玻片組包括并聯連接的第二玻片(U32)和第三玻片(U33)；

所述第一玻片(U31)和所述半波片組還分別與所述第二光開關(W2)連接。

2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一四分之一玻片(U11)和所述第一偏振極化分束器(P1)分別與所述第一光開關(W1)連接；所述第一光開關(W1)控制來自所述第一四分之一玻片(U11)的控制光子及所述第一偏振極化分束器(P1)輸出的兩路信號光子量子態分時進入所述光子波導(L0)。

3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，

所述第二光開關(W2)分時將所述光子波導(L0)中傳輸的控制光子輸出到所述第一玻片(U31)、將狀態變化后的兩路信號光子量子態分別經過第二半玻片(U22)輸出到所述第二玻片(U32)、經過第一半玻片(U21)輸出到所述第三玻片(U33)；

所述第一半玻片(U21)和第二半玻片(U22)用于對所述狀態變化后的兩路信號光子量子態進行Hadamard變換。

4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述輔助系統(S0)為由量子發射體實現的Λ型量子系統。

5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述量子發射體包括以下任意一種：原子、半導體量子點、金剛石氮空位色心。

6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述微腔(C0)包括以下任意一種：單邊FP腔、回音壁模式微腔、光子晶體微腔。

7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第二玻片(U32)和第三玻片(U33)用于恢復信號光子量子態，得到信號光子量子比特。

8.一種單光子全光量子路由方法，其特征在于，所述方法包括：

對控制光子量子比特進行單光子偏振變換；并將信號光子量子比特分成兩路信號光子量子態；

分時將不同偏振狀態的控制光子及兩路信號光子量子態送入光子波導，并利用設置在與所述光子波導相耦合的微腔內的輔助系統分別與所述光子波導中傳輸的控制光子和兩路信號光子量子態作用，使所述信號光子量子態根據所述控制光子產生狀態變化；然后分時將所述控制光子、以及狀態變化后的兩路信號光子量子態輸出到不同的路徑；

分別對所述狀態變化后的兩路信號光子量子態進行Hadamard變換，并對Hadamard變換后的不同路徑的信號光子量子態進行干涉與恢復，從而將恢復得到的信號光子量子比特路由到不同輸出端口。

9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述不同偏振狀態的控制光子包括：水平偏振控制光子、垂直偏振控制光子、疊加偏振控制光子。

10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，不同狀態的所述信號光子量子比特包括：水平偏振控制光子作用下的信號光子量子比特、垂直偏振控制光子作用下的信號光子量子比特、疊加偏振控制光子作用下的信號光子量子比特；

所述將恢復得到的信號光子量子比特路由到不同輸出端口包括：

將水平偏振控制光子作用下的信號光子量子比特路由到第一端口；

將垂直偏振控制光子作用下的信號光子量子比特路由到第二端口；

將疊加偏振控制光子作用下的信號光子量子比特路由到第一端口和第二端口相干疊加。