[发明专利]一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法

说明书

本发明公开了一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法。本发明的量子纠缠光源包括由多个波导谐振环排成二维阵列、马赫曾德尔干涉仪；二维阵列中的波导谐振环称为主环，其中任意两相邻主环之间均通过一个连接环进行倏逝波耦合连接，使得二维阵列满足反常弗洛凯拓扑绝缘体，连接环为波导谐振环；马赫曾德尔干涉仪与二维阵列的边缘上任一主环通过倏逝波耦合连接，用于对输入的泵浦光的分束比和相位进行调制后输入反常弗洛凯拓扑绝缘体，对反常弗洛凯拓扑绝缘体上下两个边界态同时泵浦；其中泵浦光的波长位于反常弗洛凯拓扑绝缘体的拓扑边界态存在的区间内。本发明能够抵抗一定程度的耦合强度误差与相位噪声，保证纠缠态的高保真度与高纯度。

技术领域

本发明涉及量子芯片领域，涉及一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法，具体为一种利用半导体芯片上设计光学拓扑绝缘体结构来实现具有拓扑保护性的片上多光子纠缠光源的方案。

背景技术

光量子集成芯片因其具有与CMOS工艺兼容、体积小、高集成度和高可调性等优势，是未来光量子领域发展的必然趋势，在量子计算、量子通讯等领域都有重要且广泛应用。

量子纠缠光源用来实现纠缠光子对的制备，是光量子芯片的必要组成部分。目前，光量子芯片的加工精度难以保证量子芯片的完全工作，尤其是对加工均一性有高要求的大规模集成的复杂量子线路。同时，纠缠光子对在制备和传输过程中也可能会面临着环境噪声的影响，从而导致纠缠态的保真度和纯度的降低。

发明内容

为了实现量子纠缠源在加工误差、基本单元的缺失或增加等各类噪声下，纠缠态依旧能够保持高保真度和高纯度，本发明提供一种拓扑保护的量子纠缠光源及光子纠缠态生成方法。本发明在半导体芯片上设计光学拓扑绝缘体结构，利用光学拓扑绝缘体边界态的鲁棒性，使得纠缠光源产生的光子处于拓扑边缘态的光学模式中，实现具有拓扑保护性的片上多光子纠缠光源的方案。

现有的半导体光量子芯片加工通常有光刻与电子束曝光两种，前者可以加工的芯片面积更大，支持大规模量子线路的制备，但均一性和精度的限制难以保证所有基础元件的工作性能，尤其是对误差和噪声条件要求很高的量子系统。后者拥有更高的加工精度，但加工面积较小，且均一性也存在问题。纠缠光源是绝大部分光量子系统的必要组成部分，因此若能在现有的加工工艺下，设计出具有免疫误差以及噪声对量子态影响的纠缠光源，则可以促进大规模集成量子芯片的发展，同时为噪声环境下量子信息的处理提供一定的保障。

针对上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种拓扑保护的量子纠缠光源，其特征在于，包括由多个波导谐振环排成二维阵列、马赫曾德尔干涉仪；所述二维阵列中的波导谐振环称为主环，其中任意两相邻主环之间均通过一个连接环进行倏逝波耦合连接，使得所述二维阵列满足反常弗洛凯拓扑绝缘体，所述连接环为波导谐振环；所述马赫曾德尔干涉仪与所述二维阵列的边缘上任一所述主环通过倏逝波耦合连接，用于对输入的泵浦光的分束比和相位进行调制后输入所述反常弗洛凯拓扑绝缘体，对所述反常弗洛凯拓扑绝缘体上下两个边界态同时泵浦；其中泵浦光的波长位于所述反常弗洛凯拓扑绝缘体的拓扑边界态存在的区间内。

进一步的，所述连接环作为主环间的耦合载体，满足主环间在频谱上的能量转移效率始终大于50％。

进一步的，通过调节所述泵浦光的强度，控制所述泵浦光在所述反常弗洛凯拓扑绝缘体内传输时引起四波混频发生的概率。

进一步的，所述二维阵列为M×N二维阵列；其中M为每行主环的个数，N为每列主环的个数。

进一步的，所述泵浦光通过所述马赫曾德尔干涉仪后以顺时针或者逆时针方向进入所述二维阵列。

进一步的，所述马赫曾德尔干涉仪的第一环路中设置一第一电控相移器，用于引入额外相位θ对输入的泵浦光的分束比进行调制，所述马赫曾德尔干涉仪的第二环路中设置第二电控移相器，用于引入额外相位对输入的泵浦光的相位进行调制。