[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

本發明公開了一種單光子全光量子路由系統及方法，該系統包括：輸入裝置、光子波導、媒介裝置、以及輸出裝置；所述輸入裝置與所述光子波導通過第一光開關連接，所述輸出裝置與所述光子波導通過第二光開關連接；所述輸入裝置包括：控制輸入單元和信號輸入單元；所述媒介裝置包括：與所述光子波導相耦合的微腔，在所述微腔內設置有輔助系統，所述輔助系統分別與所述光子波導中傳輸的控制光子及兩路信號光子量子態作用；所述輸出裝置包括控制輸出單元和信號輸出單元。利用本發明，可以實現確定性的單光子全光全量子路由，并且有效地降低了實現成本和難度。

技術領域

本發明涉及量子路由器領域，具體涉及一種單光子全光量子路由系統及方法。

背景技術

量子路由器是構造大規模量子信息網絡的核心器件，其基本功能是在不破壞信號量子比特所攜帶的量子信息(即信號信息)的情況下，根據控制量子比特的狀態信息(即控制信息)將信號量子比特從輸入端路由至所需的輸出模式，從而實現量子信息在網絡節點間的準確傳輸。由于量子態不可克隆定理的限制，源于經典路由器的概念和設計思想不能用于設計量子路由器，只能借助量子疊加和量子糾纏等量子力學效應。光子系統是量子通信和量子計算中理想的量子信息載體，實現單光子的量子路由具有重要意義。然而，光子間的相互作用十分微弱，實現光子控制光子的單光子全光量子路由十分困難。

目前，研究人員進行單光子量子路由的理論和實驗研究主要有兩種方案：一種是通過線性光學來實現，另一種是通過原子或人工原子與光子的相互作用來實現。其中，基于線性光學的單光子量子路由方案只能實現概率性而非確定性的量子路由，效率低，可擴展性差；基于原子或人工原子與光子相互作用的單光子量子路由方案，如基于銣原子和回音壁腔的單原子光量子開關需要激光冷卻和束縛原子，需要使用高品質因子光學諧振腔以實現原子與腔場的強耦合，成本高且實現難度大。

發明內容

本發明實施例提供一種單光子全光量子路由系統及方法，以解決現有技術中存在的上述一種或多種問題。

為此，本發明提供如下技術方案：

一種單光子全光量子路由系統，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態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。

優選地，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。

優選地，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輸出到第三玻片U33；