飛秒雷射直寫光量子邏輯晶片系統

上海津鐳 發佈 2022-09-17T15:45:54.351007+00:00

目前上海津鐳光電是國內僅有幾家可提供飛秒雷射直寫光量子邏輯晶片解決方案的商業化公司之一。近十年來,集成光量子晶片逐漸成為量子光學研究領域的一個熱點,光量子晶片因其相比於傳統體光學元件量子光學系統具有更好的小型化、穩定性及可擴展性等特點而成為一個極佳的研究平台。

目前上海津鐳光電是國內僅有幾家可提供飛秒雷射直寫光量子邏輯晶片解決方案的商業化公司之一。

近十年來,集成光量子晶片逐漸成為量子光學研究領域的一個熱點,光量子晶片因其相比於傳統體光學元件量子光學系統具有更好的小型化、穩定性及可擴展性等特點而成為一個極佳的研究平台。集成光量子晶片主要利用矽基平面光刻技術、飛秒雷射直寫技術製備,以及新興的一種結合飛秒雷射直寫、聚焦離子束刻蝕、化學機械拋光等手段的鋸酸鋰基光子晶片製備技術。

矽基波導光子晶片已經發展得十分成熟,而且存在許多基於不同材料的分支,比如矽基二氧化矽、絕緣體上矽薄膜、氮化矽、氮氧化矽等,但是這類波導因其矩形截面只能支持單一的偏振模式,並且傳統光刻技術只能局限於二維平面工藝,鈮酸鋰基光子晶片也有類似的局限。

然而,飛秒雷射直寫技術可以實現具有圓形截面的真三維波導的製備,因此其在進行量子信息處理時既可以支持路徑編碼,也可以支持偏振編碼。憑藉其內稟的真三維直寫能力,飛秒雷射直寫技術可以更靈活地製備具有複雜線路、三維結構的光量子晶片,可以簡化路線設計和減少所需線性光學元件的數量,還可以研究一些二維的光子演化與分布問題。自2009年飛秒雷射直寫技術首次用於製備集成光量子晶片以來,應用領域包括光量子邏輯門、量子算法、量子行走、量子模擬、量子秘鑰分發、玻色採樣、糾纏光子源等。

光量子邏輯門

量子邏輯門是通用量子計算中量子線路模型的基本單元。在通用量子計算中,理論上任意的多比特量子邏輯門都可以由一系列單比特門和兩比特門組合構成。目前基於飛秒雷射直寫技術,幾種重要的單比特門都已經被製備出來,包括偏振編碼和路徑編碼。偏振編碼的單比特門,如H門、Pauli-X門等,都可以通過改變波導的光軸來實現。

玻色採樣

玻色採樣機是一種新型非普適的量子計算模型,能將多個無相互作用的全同玻色子輸入線性多模干涉儀,求解玻色子的輸出概率分布。利用飛秒雷射直寫的玻色採樣光量子晶片也可以很好地求解多光子玻色採樣、高斯玻色採樣這類問題,而且憑藉三維架構可以在很小的空間大大提高其擴展規模。

量子行走

經典隨機行走對應的量子版本就是量子行走。在經典隨機行走中,粒子以確定的概率在位置空間運動,經過很長時間的演化,粒子的位置概率仍然集中在原點附近,位移的方差隨步數呈線性增長。在量子行走中,需要考慮態的相干疊加性,以及不同路徑的粒子會發生干涉,比如原點附近會發生相消干涉,粒子的位置概率在較大空間範圍內均有分布,位移的方差隨步數呈二次型增長。

量子行走可以分為連續時間量子行走和離散時間量子行走,二者的主要區別在於時間對演化算符的影響。連續時間量子行走中,演化算符不隨時間改變或者是連續變化的,只由行走者和系統演化算符決定,該演化算符即為系統的哈密頓量。離散時間量子行走中,系統的演化算符只作用於離散的時間步,由行走者和硬幣算符構成。基於量子行走的算法非常容易用光波導陣列體系實現,飛秒雷射直寫的光量子晶片就為研究量子行走提供了極好的研究平台,不僅可以研究連續時間、離散時間的量子行走,還可以研究一維、二維的量子行走演化規律

量子模擬

量子模擬指的是構建一個人工可控的量子系統,使其滿足的物理條件和待求解的物理系統具有相似性,通過觀察這個人工量子系統的模擬演化結果就可以推知待求物理系統的解,甚至做出預測。飛秒雷射直寫的光波導晶片體系就可以完成許多量子模擬的工作,比如光子拓撲絕緣體、光子拓撲邊界態、光子石墨烯、光子AB效應籠、光子規範場等,但大部分晶片都只能算是光子晶片,當然也有一些屬於光量子晶片,比如利用光量子晶片構建自旋鏈、人造黑洞等來模擬費米子行為的研究工作。光子本身是玻色子,但在一定條件下也可以模擬費米子的行為,比如反對稱雙光子態就可以模擬費米子。

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