[发明专利]单光子全光量子路由系统及方法

说明书

本发明公开了一种单光子全光量子路由系统及方法，该系统包括：输入装置、光子波导、媒介装置、以及输出装置；所述输入装置与所述光子波导通过第一光开关连接，所述输出装置与所述光子波导通过第二光开关连接；所述输入装置包括：控制输入单元和信号输入单元；所述媒介装置包括：与所述光子波导相耦合的微腔，在所述微腔内设置有辅助系统，所述辅助系统分别与所述光子波导中传输的控制光子及两路信号光子量子态作用；所述输出装置包括控制输出单元和信号输出单元。利用本发明，可以实现确定性的单光子全光全量子路由，并且有效地降低了实现成本和难度。

技术领域

本发明涉及量子路由器领域，具体涉及一种单光子全光量子路由系统及方法。

背景技术

量子路由器是构造大规模量子信息网络的核心器件，其基本功能是在不破坏信号量子比特所携带的量子信息(即信号信息)的情况下，根据控制量子比特的状态信息(即控制信息)将信号量子比特从输入端路由至所需的输出模式，从而实现量子信息在网络节点间的准确传输。由于量子态不可克隆定理的限制，源于经典路由器的概念和设计思想不能用于设计量子路由器，只能借助量子叠加和量子纠缠等量子力学效应。光子系统是量子通信和量子计算中理想的量子信息载体，实现单光子的量子路由具有重要意义。然而，光子间的相互作用十分微弱，实现光子控制光子的单光子全光量子路由十分困难。

目前，研究人员进行单光子量子路由的理论和实验研究主要有两种方案：一种是通过线性光学来实现，另一种是通过原子或人工原子与光子的相互作用来实现。其中，基于线性光学的单光子量子路由方案只能实现概率性而非确定性的量子路由，效率低，可扩展性差；基于原子或人工原子与光子相互作用的单光子量子路由方案，如基于铷原子和回音壁腔的单原子光量子开关需要激光冷却和束缚原子，需要使用高品质因子光学谐振腔以实现原子与腔场的强耦合，成本高且实现难度大。

发明内容

本发明实施例提供一种单光子全光量子路由系统及方法，以解决现有技术中存在的上述一种或多种问题。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种单光子全光量子路由系统，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态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。

优选地，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。

优选地，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输出到第三玻片U33；