[發明專利]一種基于波導模式的片上多維邏輯門設計方法

在審

• 申請號: 202110739727.1
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113569513A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 王健;劉俊;王乾克;胡敏;郭邦紅
• 申請（專利權）人: 廣東國騰量子科技有限公司;華中科技大學
• 主分類號: G06F30/337
• 分類號: G06F30/337;G06F30/327;G06F17/16
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本發明公開了一種基于波導模式的片上多維邏輯門設計方法，該方法采用反向設計方法將結構區域設置成m×n的結構矩陣，按照數組的序號對應結構矩陣的位置上有a nm×a nm像素點，像素點被賦予了不同的初始值，然后利用FDTD算法和m×n的結構矩陣每個像素賦予的初值分別計算不同輸入模式的輸出端口中各個模式的比例，并按照結構矩陣數組中的序號找到結構矩陣中對應的位置進行變換操作，若操作后新的FOM值大于之前的FOM值，則保留這種結構變化，同時FOM被更新為新的結構的FOM，否則，反之；若FOM沒有改變則局部最優解。本發明通過對器件區域的折射率分布不斷改變，最終獲得局部最優或全局最優解，大大提高了結構的精準程度，提高了硅基亞波長結構的性能。

技術領域

本發明涉及微納光電子和量子信息技術領域，具體涉及一種基于波導模式的片上多維邏輯門設計方法。

背景技術

量子計算(quantum computation)是基于量子力學基本原理的具有超強并行計算能力的全新計算方式。如果用二進制的“0”和“1”來表示信息,經典計算機中處理信息的經典比特(bit)在某個特定時刻只能處于“0”或者“1”，單次操作N個bit只能對2^N個數中的1個數進行運算，而量子計算機中的量子比特(qubit)則可以處在|0和|1的任意疊加態(α|0+β|1)上，單次操作N個qubit能夠同時實現對2N個數的并行運算,這種疊加特性使得量子計算機在處理某些特定問題如密碼破譯和數據搜索時具有超越經典計算機的明顯優勢。

通用型量子計算機的處理器由量子邏輯門(quantum logic gate)組成。量子邏輯門通過量子力學的幺正變換完成對量子比特的受控演化,是實現量子計算的基礎。

在眾多量子系統中,光量子系統憑借著它天然的優勢,在幾十年量子信息的發展過程中一直處于領先地位。光子是一種飛行的量子比特,其超快的傳播速度非常利于作為信息傳輸的載體。光量子態在傳輸過程中,對環境噪聲有著很好的免疫,在經歷很長的傳輸距離和時間后仍然能夠保持其相干性。同時,光子有很多自由度可以用來編碼,包括光子的路徑、偏振、軌道角動量、頻率、時間等,同時在集成光學器件中,波導模式也可以用來編碼信息。在所有量子系統中,光量子系統對硬件的要求是最低的,不需要在真空和低溫的環境下操作,這降低了量子態的調控難度,同時使得光子系統最利于做原理展示和實驗驗證。

目前的主要研究方向有兩類：一是在自由空間中操縱光子的線性光學量子計算，它操作簡單、技術成熟，目前絕大多數量子計算方案都是在自由空間光學系統中首先被驗證的，但其可擴展性差、穩定性差，非常容易受到環境因素擾動；二是基于集成芯片的光量子計算，芯片中通常使用光波導來構建復雜的光子回路。盡管波導芯片系統目前還是處于起步階段，但是具有良好的可擴展性、穩定性和高集成度，因此前景廣闊。同時，高維量子通信具有如下諸多優勢：1)具有更大的信息容量；2)對噪聲有更高的容忍度；3)增強了對量子克隆的魯棒性；4)更顯著地違反了定域理論和貝爾不等式。因此，近年來高維量子通信吸引了越來越多研究者的熱切關注。

亞波長結構(Sub-Wavelength Structure，SWS)是一種周期遠小于材料等效波長的陣列化結構，即周期Λ＜＜λ(2n_eff)，其中λ為真空波長，n_eff為等效折射率。由于其周期遠小于波長，亞波長結構中只存在零級衍射，光的高階衍射級次均不能向自由空間傳播，只能束縛在結構內部，因此可將其整體視為一層各向異性的介質。通過將依照亞波長尺度變化的設計圖案刻蝕在絕緣體上的硅材料(Silicon on insulator，SOI)表面，并填充其他的材料(如：空氣、二氧化硅等)，可以實現具有目標功能的器件。