[发明专利]集成光量子计算芯片及其制备方法

说明书

本发明提供了一种集成光量子计算芯片，所述集成光量子计算芯片包括：压缩光源阵列或纠缠光源阵列，用于产生同时满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；全连通可调大规模干涉网络，用于实现对输入光量子态的任意幺正变换；单光子探测器阵列，用于对所述全连通可调大规模干涉网络输出的光量子态进行探测；控制反馈和电子学编程，实现对所述全连通可调大规模干涉网络的每个矩阵元素进行编程、反馈和控制。通过采用本发明基于多种光学材料设计的量子光源，可产生满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；探测器阵列和量子光源、光量子干涉线路等集成一体化的光量子芯片上，具有高度集成，低损耗的优点。

技术领域

本发明涉及量子信息与量子光学技术领域，尤其涉及一种集成光量子计算芯片架构及其制备方法。

背景技术

量子计算近年来得到高速发展，同时在量子比特数目和操作精度两个重要方面取得了巨大进步。多种物理体系，如离子阱，超导，光晶格，光镊原子，硅量子点，光量子计算等，均朝着小型化、可编程的方向快速发展。

光量子计算在小型化方面也取得了一些进展。比如在可调干涉网络方面，基于材料的电光、热光等效应，通过外加快速的电、热、力学调节，从而实现相位和分束比完全可调的单个分束器，通过并联和串联这些器件原则上可实现大规模的干涉网络。

光学波导的横截面尺寸在百纳米左右即可实现单模单偏振光的有效传播。因此，在大型多模式干涉仪的应用中，一个厘米大小的芯片能容纳下成千上万个可调器件，因此在量子计算的发展中将起到重要作用。在纠缠光源方面，片上集成的二阶参量下转换、三阶的四波混频等均证明可实现品质优良的纠缠光源或可预报的单光子源。片上集成的单模压缩光源也有一些原理验证性的实验，但实现同时满足高压缩量、高收集效率、高纯度、高度全同性的压缩光源还存在很大的技术挑战。另一方面，大型集成纠缠光源或压缩光源的芯片仍然未有报道，是未来量子计算的一个重要方向。

集成一体化的光量子计算方面，需要在兼容现有和可近期发展的微纳加工工艺的支撑下，将量子光源(纠缠源或压缩光源)、多模式干涉仪等器件集成到同一个芯片中，并且将光纤、电子学调控器件等封装至同一个芯片当中，实现可编程的大规模光量子计算芯片。这将是实现可拓展的光量子计算的重要一步，也是当前量子计算领域亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成光量子计算芯片及其制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种集成光量子计算芯片包括：

压缩光源阵列或纠缠光源阵列，用于产生同时满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；

全连通可调大规模干涉网络，用于实现对输入光量子态的任意幺正变换；

单光子探测器阵列，用于对所述全连通可调大规模干涉网络输出的光量子态进行探测；

控制反馈和电子学编程，实现对所述全连通可调大规模干涉网络的每个矩阵元素进行编程、反馈和控制。

其中，所述压缩光源阵列或纠缠光源阵列包括光纤-芯片光栅耦合器、非线性环形腔和滤波器，其中，所述非线性环形腔包括硅材料螺旋线结构，和/或，氮化硅或周期性极化铌酸铝材料滑轮状干涉腔；

所述滑轮状干涉腔还包括第一耦合器、相位调节器和第二耦合器、谐振腔。

其中，所述全连通可调大规模干涉网络包括多组串联或并联的马赫曾德干涉器件，其中，所述马赫曾德干涉器件包括输入相位调节器，两个分束器，干涉臂相位调节器，所述马赫曾德干涉器件用于实现任意可调分束比。

其中，所述输入相位调节器和干涉臂相位调节器包括加热电极利用热光效应调节局部波导的折射率，从而调节光的相位。

其中，所述单光子探测器阵列包括超导纳米线和输出电极，用于探测量子态并输出响应电信号。