[发明专利]单光子全光量子路由系统及方法

权利要求书

1.一种单光子全光量子路由系统，其特征在于，所述系统包括：输入装置、光子波导(L0)、媒介装置、以及输出装置；所述输入装置与所述光子波导(L0)通过第一光开关(W1)连接，所述输出装置与所述光子波导(L0)通过第二光开关(W2)连接；

所述输入装置包括：控制输入单元和信号输入单元；其中，所述控制输入单元包括第一四分之一玻片(U11)，用于对输入的控制光子量子比特进行单光子偏振变换，得到不同偏振状态的控制光子；所述信号输入单元包括第一偏振极化分束器(P1)，用于将输入的信号光子量子比特分成两路信号光子量子态；

所述媒介装置包括：与所述光子波导(L0)相耦合的微腔(C0)，在所述微腔(C0)内设置有辅助系统(S0)，所述辅助系统(S0)分别与所述光子波导(L0)中传输的控制光子及两路信号光子量子态作用，使所述信号光子量子比特根据所述控制光子产生状态变化；

所述输出装置包括控制输出单元和信号输出单元；其中，所述控制输出单元包括依次串联连接的第一玻片(U31)和第二四分之一玻片(U12)；所述信号输出单元包括依次连接的半玻片组、第二偏振极化分束器(P2)、玻片组，所述半玻片组包括并联连接的第一半玻片(U21)和第二半玻片(U22)，所述玻片组包括并联连接的第二玻片(U32)和第三玻片(U33)；

所述第一玻片(U31)和所述半波片组还分别与所述第二光开关(W2)连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一四分之一玻片(U11)和所述第一偏振极化分束器(P1)分别与所述第一光开关(W1)连接；所述第一光开关(W1)控制来自所述第一四分之一玻片(U11)的控制光子及所述第一偏振极化分束器(P1)输出的两路信号光子量子态分时进入所述光子波导(L0)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述第二光开关(W2)分时将所述光子波导(L0)中传输的控制光子输出到所述第一玻片(U31)、将状态变化后的两路信号光子量子态分别经过第二半玻片(U22)输出到所述第二玻片(U32)、经过第一半玻片(U21)输出到所述第三玻片(U33)；

所述第一半玻片(U21)和第二半玻片(U22)用于对所述状态变化后的两路信号光子量子态进行Hadamard变换。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辅助系统(S0)为由量子发射体实现的Λ型量子系统。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述量子发射体包括以下任意一种：原子、半导体量子点、金刚石氮空位色心。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微腔(C0)包括以下任意一种：单边FP腔、回音壁模式微腔、光子晶体微腔。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二玻片(U32)和第三玻片(U33)用于恢复信号光子量子态，得到信号光子量子比特。

8.一种单光子全光量子路由方法，其特征在于，所述方法包括：

对控制光子量子比特进行单光子偏振变换；并将信号光子量子比特分成两路信号光子量子态；

分时将不同偏振状态的控制光子及两路信号光子量子态送入光子波导，并利用设置在与所述光子波导相耦合的微腔内的辅助系统分别与所述光子波导中传输的控制光子和两路信号光子量子态作用，使所述信号光子量子态根据所述控制光子产生状态变化；然后分时将所述控制光子、以及状态变化后的两路信号光子量子态输出到不同的路径；

分别对所述状态变化后的两路信号光子量子态进行Hadamard变换，并对Hadamard变换后的不同路径的信号光子量子态进行干涉与恢复，从而将恢复得到的信号光子量子比特路由到不同输出端口。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述不同偏振状态的控制光子包括：水平偏振控制光子、垂直偏振控制光子、叠加偏振控制光子。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，不同状态的所述信号光子量子比特包括：水平偏振控制光子作用下的信号光子量子比特、垂直偏振控制光子作用下的信号光子量子比特、叠加偏振控制光子作用下的信号光子量子比特；

所述将恢复得到的信号光子量子比特路由到不同输出端口包括：

将水平偏振控制光子作用下的信号光子量子比特路由到第一端口；

将垂直偏振控制光子作用下的信号光子量子比特路由到第二端口；

将叠加偏振控制光子作用下的信号光子量子比特路由到第一端口和第二端口相干叠加。