[发明专利]基于经典随机数在三维光子芯片上实现哈尔酉正随机的方法

说明书

一种基于经典随机数在三维光子芯片上实现哈尔酉正随机的方法，采用不同的飞秒激光直写速度制备波导，使得得到的波导的哈密顿量的对角线上包含△β项，通过将经典光注入制备得到的波导中即可得到光子在波导间进行量子随机行走，其演化结果即满足哈尔测度的随机酉正操作。本发明可以实现真正的随机并且更加简单，可以应用在波色采样，量子密码学，量子过程层析成象，纠缠生成，保真度估计等。

技术领域

本发明涉及的是一种三维光子芯片领域的技术，具体是一种基于经典随机数在三维光子芯片上实现哈尔酉正随机的方法。

背景技术

量子系统的随机运算在量子信息处理中扮演着重要的角色，特别是随着近年来各种关于玻色采样的研究证明了量子计算的优越性，这些研究所需要的哈尔随机酉矩阵越来越受到人们的关注。哈尔测度不仅是现在研究随机性的理论工具，也是一个构建量子协议或算法的实用模块，广泛应用于玻色采样，量子密码学，量子过程层析成象，纠缠生成，保真度估计等。目前已经有一系列的研究方案，这些方案提出了实现随机或伪随机量子运算的实验方案。到目前为止，这些实验方案要么使用大量的量子门，要么使用光子分束器和干涉仪，通过Reck/Clements分解方法，它们的实现都相当复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于经典随机数在三维光子芯片上实现哈尔酉正随机的方法，通过经典随机数在哈密顿量中引入经典随机，然后构建三维波导阵列，将光子注入阵列，演化结果可以得到满足哈尔测度的随机。相较于之前的方法，本发明可以实现真正的随机并且更加简单，可以应用在波色采样，量子密码学，量子过程层析成象，纠缠生成，保真度估计等。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于经典随机数在三维光子芯片上实现哈尔酉正随机的方法，采用不同的飞秒激光直写速度制备波导，使得得到的波导的哈密顿量的对角线上包含△β项，通过将经典光注入制备得到的波导中即可得到光子在波导间进行量子随机行走，其演化结果即满足哈尔测度的随机酉正操作。

所述的飞秒激光直写是指：将波长为飞秒级的激光聚焦于芯片表面或内部，通过激光能量改变该点的光学性质形成波导，具体为：根据的随机生成的矩阵组创建飞秒激光直写的工艺文件，通过激光直写设备对芯片进行烧录，得到相应的波导。

所述的芯片，其材质采用但不限于硼硅酸盐玻璃。

所述的工艺文件，采用但不限于SCA软件生成的包含波导具体参数的后缀名为fab文件。

所述的波导的结构为一维或二维阵列，例如方形阵列，优选为二维阵列。

所述的随机生成的矩阵组是指：利用随机数生成器生成一组随机数，用于在量子体系的哈密顿量中引入经典随机，即在哈密顿量矩阵的对角元中引入△β项后，通过换算关系将△β项转换成激光的移动速度变化，

所述的随机数生成器包括但不限于MATLAB、Excel等。

所述的换算是指：基于△β(单位mm^-1)与△v(单位mm/s)近似成线性关系，则

△β＝0.02△v，其中：△β0，△v是指波导直写过程中，激光相较于基础移动速度的变化速度。

所述的量子随机行走，通过将波长为810nm的激光注入制备得到的波导，光子将在其中进行量子随机行走演化，利用光束分析仪将每一个输出的点光强排列出来，得到光强分布矩阵，对矩阵进行读取和/或比较操作，得到符合哈尔测度|E_i[U_iρU⁺_i]-1/N|_d＜ε的随机酉正矩阵，其中：E_i[...]表示对括号内的数取平均，表示对量子态的操作，N为模式数，即波导的数量，|...|_d表示对括号内的矩阵取2-范数，ε为任意无穷小量。