【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及利用波導(dǎo)的二階非線性來生成、操縱和/或測量量子態(tài)的光子集成電路，以及利用該光子集成電路的方法和系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、量子信息處理為計(jì)算、安全通信、計(jì)量和感測提供了巨大的前景。許多物理平臺(tái)，例如核自旋、超導(dǎo)電路、光子學(xué)、捕獲離子、量子點(diǎn)和中性原子，已經(jīng)被廣泛地探索以追求構(gòu)建量子信息處理器(1)。其中，光子學(xué)由于其可擴(kuò)展性、室溫邏輯操作的潛力以及在離散和連續(xù)變量中編碼量子信息的容易性而突出。然而，在具有寬范圍的可擴(kuò)展量子信息系統(tǒng)所需的性能的光子系統(tǒng)中生成、操縱和測量量子態(tài)仍然具有挑戰(zhàn)性。本公開滿足了這種需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、根據(jù)本文描述的實(shí)施例的示例方法、裝置和系統(tǒng)包括但不限于以下：
2、1.一種光子集成電路，包括：
3、一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)，所述一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)包括二階非線性，所述二階非線性被配置為對經(jīng)典光脈沖和/或量子光脈沖進(jìn)行操作，每個(gè)經(jīng)典光脈沖和/或量子光脈沖具有如在其經(jīng)典場值或其量子波函數(shù)的半峰全寬處測量的短于1000個(gè)光周期的脈沖長度，以便至少：
4、生成由所述光脈沖中的一個(gè)或多個(gè)承載的一個(gè)或多個(gè)量子態(tài)，
5、操縱所述量子態(tài)中的一個(gè)或多個(gè)，或者
6、測量所述量子態(tài)中的一個(gè)或多個(gè)。
7、2.根據(jù)示例1所述的電路，其中，所述波導(dǎo)各自具有小于5微米的寬度和高度，和/或所述波導(dǎo)具有針對帶寬在0.1-100太赫茲范圍內(nèi)的光脈沖的非線性相互作用的相位匹配和/或色散工程。
8、3.根據(jù)示例1或2
9、所述一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)包括光學(xué)參量放大器，和/或
10、所述電路包括光學(xué)參量振蕩器，所述光學(xué)參量振蕩器包括所述波導(dǎo)中的一個(gè)波導(dǎo)，
11、并且所述opa或opo響應(yīng)于泵浦脈沖使用二階參量過程生成包括信號(hào)脈沖和/或空閑脈沖的量子態(tài)，以及
12、所述波導(dǎo)各自具有包括使所述泵浦脈沖和信號(hào)脈沖和/或空閑脈沖之間的群速度失配(gvm)最小化的高度、寬度和長度的尺寸，以便提供所述泵浦脈沖和信號(hào)脈沖和/或空閑脈沖的時(shí)間重疊，并且
13、所述泵浦脈沖、信號(hào)脈沖和/或空閑脈沖各自包括限制在波導(dǎo)中并由所述波導(dǎo)引導(dǎo)的電磁波。在一個(gè)或多個(gè)示例中，這些波導(dǎo)尺寸還使相互作用脈沖的群速度色散(gvd)最小化，從而導(dǎo)致高非線性效率。
14、4.根據(jù)示例1-3中任一項(xiàng)所述的電路，其中，所述量子態(tài)包括高斯態(tài)，所述高斯態(tài)包括具有一個(gè)或多個(gè)模式的一個(gè)或多個(gè)壓縮真空態(tài)。
15、5.根據(jù)示例4所述的電路，其中，所述波導(dǎo)至少包括：
16、光學(xué)參量放大器，所述光學(xué)參量放大器包括用于涉及第一泵浦脈沖和信號(hào)真空場的二階參量放大過程的相位匹配和色散工程，其中所述二階參量放大過程在第一正交中放大所述信號(hào)真空場，并在與所述第一正交正交的第二正交中衰減所述信號(hào)真空場，從而產(chǎn)生攜帶包括壓縮真空態(tài)的所述量子態(tài)中的第一量子態(tài)的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)脈沖。
17、6.根據(jù)示例5所述的電路，其中，所述第一泵浦脈沖的強(qiáng)度、所述相位匹配、所述色散工程或所述光學(xué)參量放大器的長度中的至少一個(gè)被定制用于包括非簡并參量放大的所述二階參量放大過程，使得承載所述壓縮真空狀態(tài)的所述信號(hào)脈沖包括至少兩種模式。
18、7.根據(jù)示例5或6所述的電路，其中，所述電路還包括第二opa，所述第二opa具有針對涉及第二泵浦脈沖和包括所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的所述信號(hào)脈沖的附加二階非線性相互作用定制的第二相位匹配、第二色散工程或第二長度中的至少一個(gè)，其中第二泵浦脈沖可以具有相對于所述第一泵浦脈沖的相位差和強(qiáng)度，使得所述附加二階非線性相互作用包括線性(非飽和)機(jī)制中的參量放大，放大所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的所述正交分量中的一個(gè)，以便形成宏觀機(jī)制中的第二量子態(tài)，其中該狀態(tài)的平均光子數(shù)大于10但小于10-9，從而實(shí)現(xiàn)所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的損耗容限(去相干容限)量子測量。
19、8.根據(jù)示例1-3中任一項(xiàng)所述的電路，其中所述量子態(tài)包括非高斯態(tài)，所述非高斯態(tài)包括一個(gè)或多個(gè)cat態(tài)、一個(gè)或多個(gè)二項(xiàng)式態(tài)、一個(gè)或多個(gè)gottesman-kitaev-preskill(gkp)態(tài)或一個(gè)或多個(gè)光子對態(tài)。
20、9.根據(jù)示例1-8中任一項(xiàng)所述的電路，其中所述電路包括由驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的調(diào)制器，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)允許控制包括一個(gè)或多個(gè)泵浦脈沖或一個(gè)或多個(gè)量子態(tài)脈沖的光脈沖的相位或強(qiáng)度。
21、10.根據(jù)示例1至3、8或9中任一項(xiàng)所述的電路，其中：
22、所述電路包括光學(xué)參量放大器，所述光學(xué)參量放大器具有針對涉及具有所述脈沖長度的泵浦脈沖和真空場的二階參量相互作用定制的相位匹配、色散工程和長度，并且
23、所述二階非線性相互作用包括飽和區(qū)域中的參量放大，其特征在于所述泵浦脈沖的泵浦能量通過所述參量放大被抑制超過10％，以及
24、以便形成攜帶在其維格納函數(shù)中包括負(fù)性的所述量子態(tài)中的至少一個(gè)的信號(hào)脈沖。
25、11.根據(jù)示例1-3、4、8、9或10中任一項(xiàng)所述的電路，其中，所述電路包括用于操縱所述一個(gè)或多個(gè)量子態(tài)的一個(gè)或多個(gè)組件，所述一個(gè)或多個(gè)組件包括以下中的至少一個(gè)：
26、一個(gè)或多個(gè)調(diào)制器，所述一個(gè)或多個(gè)調(diào)制器用于操縱所述量子態(tài)的強(qiáng)度或相位，
27、一個(gè)或多個(gè)耦合器，所述一個(gè)或多個(gè)耦合器用于組合多個(gè)所述量子態(tài)，或者
28、一個(gè)或多個(gè)光譜濾波器、一個(gè)或多個(gè)光譜相關(guān)分束器、一個(gè)或多個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器、一個(gè)或多個(gè)波長轉(zhuǎn)換器、或一個(gè)或多個(gè)馬赫-曾德爾干涉儀。
29、12.根據(jù)示例1-3、4、8、9或10中任一項(xiàng)所述的電路，其中，所述電路還包括一個(gè)或多個(gè)單光子檢測器、一個(gè)或多個(gè)光子數(shù)解析檢測器和/或一個(gè)或多個(gè)零差檢測器，所述一個(gè)或多個(gè)單光子檢測器、一個(gè)或多個(gè)光子數(shù)解析檢測器和/或一個(gè)或多個(gè)零差檢測器被配置為至少：
30、設(shè)計(jì)或檢測量子態(tài)，或者
31、使用所述量子態(tài)啟用量子計(jì)算任務(wù)。
32、13.根據(jù)示例1-12中任一項(xiàng)所述的電路，還包括：
33、連接到所述波導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)輸入端，以及
34、連接到所述波導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)輸出端，其中所述光脈沖包括一個(gè)或多個(gè)輸入脈沖和響應(yīng)于在所述輸入端處接收的所述輸入脈沖而在所述輸出端處輸出的一個(gè)或多個(gè)輸出脈沖，并且
35、所述波導(dǎo)被配置為根據(jù)時(shí)分復(fù)用方案至少生成、操縱或測量承載表示不同信息比特的所述量子態(tài)中的不同量子態(tài)的一個(gè)或多個(gè)光脈沖，其中：
36、所述光脈沖分布在不同的等間隔時(shí)間倉中，
37、可以使用經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)第一延遲線彼此連接的一個(gè)或多個(gè)第一調(diào)制器和一個(gè)或多個(gè)第一耦合器將所述不同的等間隔時(shí)間倉路由到所述波導(dǎo)中的不同波導(dǎo)，所述一個(gè)或多個(gè)第一調(diào)制器被配置為調(diào)制所述光脈沖，以及
38、可以使用一個(gè)或多個(gè)第二耦合器和一個(gè)或多個(gè)第二延遲線來組合所述不同的等間隔時(shí)間倉，使得可以組合本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種光子集成電路，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述波導(dǎo)各自具有小于5微米的寬度和高度，和/或所述波導(dǎo)具有用于帶寬在0.1-100太赫茲范圍內(nèi)的所述光脈沖的非線性相互作用的相位匹配和/或色散工程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述量子態(tài)包括高斯態(tài)，所述高斯態(tài)包括具有一個(gè)或多個(gè)模式的一個(gè)或多個(gè)壓縮真空態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中，所述波導(dǎo)至少包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述第一泵浦脈沖的強(qiáng)度、所述相位匹配、所述色散工程或所述光學(xué)參量放大器的長度中的至少一個(gè)被定制用于包括非簡并參量放大的所述二階參量放大過程，使得承載所述壓縮真空狀態(tài)的所述信號(hào)脈沖包括至少兩種模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述電路還包括第二OPA，所述第二OPA具有針對涉及第二泵浦脈沖和包括所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的所述信號(hào)脈沖的附加二階非線性相互作用定制的第二相位匹配、第二色散工程或第二長度中的至少一個(gè)，其中第二泵浦脈沖能夠具有相對于所述
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述量子態(tài)包括非高斯態(tài)，所述非高斯態(tài)包括一個(gè)或多個(gè)貓態(tài)、一個(gè)或多個(gè)二項(xiàng)代碼態(tài)、一個(gè)或多個(gè)Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)態(tài)或一個(gè)或多個(gè)光子對態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路包括由驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的調(diào)制器，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)允許控制包括一個(gè)或多個(gè)泵浦脈沖或一個(gè)或多個(gè)量子態(tài)脈沖的所述光脈沖的相位或強(qiáng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中：
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路包括用于操縱所述一個(gè)或多個(gè)量子態(tài)的一個(gè)或多個(gè)組件，所述一個(gè)或多個(gè)組件包括以下中的至少一個(gè)：
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路還包括一個(gè)或多個(gè)單光子檢測器、一個(gè)或多個(gè)光子數(shù)解析檢測器和/或一個(gè)或多個(gè)零差檢測器，被配置為至少：
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，還包括：
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中，所述脈沖長度在1-1000飛秒的范圍內(nèi)，使得所述光脈沖能夠被路由到長于1-1000飛秒持續(xù)時(shí)間并且包含不同比特的所述不同的等間隔時(shí)間倉中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，被配置為：
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述波導(dǎo)包括光學(xué)參量放大器，所述光學(xué)參量放大器具有相位匹配和色散工程，使得參量增益處于非線性飽和狀態(tài)，從而至少允許：
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，還包括波長轉(zhuǎn)換器，所述波長轉(zhuǎn)換器將攜帶所述量子態(tài)的所述光脈沖的波長轉(zhuǎn)換成不同的頻率范圍。
18.一種處理一個(gè)或多個(gè)量子態(tài)的方法，包括：
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述生成、操縱或測量使用時(shí)分復(fù)用方案來實(shí)現(xiàn)，所述時(shí)分復(fù)用方案包括：
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述生成、操縱和/或測量包括以下中的至少一個(gè)：
...【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
1.一種光子集成電路，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述波導(dǎo)各自具有小于5微米的寬度和高度，和/或所述波導(dǎo)具有用于帶寬在0.1-100太赫茲范圍內(nèi)的所述光脈沖的非線性相互作用的相位匹配和/或色散工程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述量子態(tài)包括高斯態(tài)，所述高斯態(tài)包括具有一個(gè)或多個(gè)模式的一個(gè)或多個(gè)壓縮真空態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中，所述波導(dǎo)至少包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述第一泵浦脈沖的強(qiáng)度、所述相位匹配、所述色散工程或所述光學(xué)參量放大器的長度中的至少一個(gè)被定制用于包括非簡并參量放大的所述二階參量放大過程，使得承載所述壓縮真空狀態(tài)的所述信號(hào)脈沖包括至少兩種模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述電路還包括第二opa，所述第二opa具有針對涉及第二泵浦脈沖和包括所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的所述信號(hào)脈沖的附加二階非線性相互作用定制的第二相位匹配、第二色散工程或第二長度中的至少一個(gè)，其中第二泵浦脈沖能夠具有相對于所述第一泵浦脈沖的相位差和強(qiáng)度，使得所述附加二階非線性相互作用包括線性(非飽和)機(jī)制中的參量放大，放大所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的所述正交分量中的一個(gè)，以便形成宏觀機(jī)制中的第二量子態(tài)，其中該狀態(tài)的平均光子數(shù)大于10但小于10^9，從而實(shí)現(xiàn)所述量子態(tài)中的所述第一量子態(tài)的損耗容限(去相干容限)量子測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述量子態(tài)包括非高斯態(tài)，所述非高斯態(tài)包括一個(gè)或多個(gè)貓態(tài)、一個(gè)或多個(gè)二項(xiàng)代碼態(tài)、一個(gè)或多個(gè)gottesman-kitaev-p...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：A·馬蘭迪，R·內(nèi)拉，R·塞金，L·M·萊德茲馬，
申請(專利權(quán))人：加州理工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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