[实用新型]任意偏振态量子比特投影分离芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及的是一种量子光学检测技术领域的元件，具体是一种基于双折射波导，具有光学波片功能和偏振分束功能，可对任意偏振态量子比特进行投影分离的量子光学芯片。

背景技术

在传统的信息技术中，信息是以二进制的形式传递的，即所有信息都是由0和1组成的或长或短的字符串，其中每一个0或1这样的单元被叫做比特(bit)，而每一个比特只能是0或者1。与传统信息技术一样，量子信息技术也使用二进制来编码以传递信息，编码信息的最小单元叫做量子比特(qubit，即quantum bit的缩写)，所不同的是量子比特除了可以是0或1以外，还可以是这两个状态的叠加态。由于与环境的相互作用较好控制与调制，而且以光子为探测分析对象的仪器设备发展较为成熟，所以光子通常被当做量子信息技术的信息载体。因为要进行二进制编码，所以只要找到光子的一组双级属性并将两级分别赋值为0和1即可。光子的一个最显著的特性就是它的偏振性，稳定且区别性强，所以通常利用光子的不同偏振状态，如一对正交的线偏振态，来作为量子比特值0或1的物理实现，形成偏振态量子比特。

对偏振态量子比特的操控主要是改变其偏振状态(对于线偏振光主要指偏振方向)，使其转变成某一特定偏振状态的光子。宏观光学领域主要是采用光学波片(opticalwaveplate)，如半波片(halfwaveplate)、四分之一波片(quarterwaveplate)及其组合来实现，原理是改变波片光轴方向的偏振分量和与之垂直的偏振分量之间的位相差。半波片造成的位相差改变为π，可改变线偏振光的偏振方向；而四分之一波片造成的位相差改变为π/2，可将线偏振光转变成圆偏振光(更普遍的说是椭圆偏振光)或做相反的操作。因此，波片可作为偏振控制器(polarization controller)，用来补偿光信号在介质中传播后产生的偏振状态的改变。比如在光纤中，光信号可能因几何位相(如光纤关于光轴的扭曲)、双折射、偏振模式色散、与偏振状态相关的损耗等因素发生偏振状态的改变，这对于使用偏振态量子比特的量子信息系统来说后果是灾难性的。为了在需要测量偏振态量子比特经过光纤或其他光路介质后的偏振态时，量子比特的偏振状态依然为一对正交偏振态，必须对其已改变的偏振状态进行补偿。

在量子比特恢复为一对正交偏振态后，就可以按照偏振特性对量子比特进行分离并测量了。因为测量仪器本身并不能分辨光子的偏振状态，所以需要先将具有不同偏振状态的光子分成两路，在终端放置测量仪器，以此实现对光子偏振状态的测量，因此这一依据偏振状态来分离光子的器件就显得十分重要。宏观光学通常使用偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，简称PBS)来作为偏振态量子比特的分离器件。

超快激光直写式制造技术：超快激光是脉冲持续时间小于1皮秒的脉冲激光，在如此短的脉冲持续时间下，瞬时能流变得非常巨大，许多非线性光学现象得以发生。光子的能量只与其波长有关。在弱光情况下，要想使物质分子吸收光子而发生物性的改变，光子能量就必须高于吸收的阈值；但在光强极强的情况下，虽然单光子的能量无法达到阈值，但是因为光场中有极多的光子，物质分子同时遇到两个或以上光子的概率极大增加，而其总能量达到或超过吸收阈值，这使吸收成为可能。物质对光子的非线性吸收的条件极为苛刻，通常需要对超快激光进行聚焦，在激光的焦点处才有满足非线性吸收的足够强的光场。然而这一苛刻的要求正是这种基于非线性光学现象的加工手段的独特优势。当聚焦长波长激光时，在聚焦的路径上因为光强过小，物质不会吸收光子发生物性变化，只有在焦点处光强达到能使非线性吸收发生的区域，才能发生物质对光子的吸收。这使得这种加工手段可以在不损伤材料表面的情况下对材料内部进行选择性的修饰，制造任意形状的三维结构。另一方面，因为发生非线性吸收需要光强达到一定阈值，这一阈值的等光强面是一个椭球面，在椭球面上及其内部，非线性吸收可以发生，所以我们可以通过调节聚焦前激光的光强来改变这一椭球区域的大小，通过降低光强甚至可以让其小于衍射极限，这又为超快激光的直写式加工带来了极高的加工精度。超快激光对三维物体的加工就是将物性经曝光发生改变的椭球微点逐渐堆积起来形成所要得到的三维目标物。这一过程正是微积分的原理，即将三维物体“微分”成曝光区域大小的点的集合或粗细与这样的点大小相仿的线的集合，通过让焦点在这个点阵或线阵中进行逐点逐线的曝光，逐步将物性发生改变的单元“积分”成期望得到的三维物体(如图1)。

实用新型内容