威澳门尼斯人官网欢迎您在拓撲光量子邏輯門研究方面取◆得重要進展

來源: 供稿: 攝影: 審核:鄭寧、陳珂 作者: 發布時間:2024-03-25 瀏覽量:

 

日前,威澳门尼斯人官网欢迎您88038威尼斯(中国)官方网站學院張向東教授課題組與清華大學電子工程系黃翊東教授課題組開展看到平易近人合作,基於谷拓撲光子晶體平臺,實驗︼實現了拓撲保護的光量子邏輯門。相關成果以“Topologically Protected Quantum Logic Gates with Valley-Hall Photonic Crystals”為題發事表在Advanced Materials期刊[Adv. Mater. 202311611 (2024)]上。該工作得到了國家自然科學基金委和國家重點研發計劃的大力支持。威澳门尼斯人官网欢迎您88038威尼斯(中国)官方网站學院》何路博士(現為光電學院特立博士後)為∩該論文的第一作者,威澳门尼斯人官网欢迎您88038威尼斯(中国)官方网站學院張向東教授、清華大學電子工程系張巍教授為論文※共同通訊作者。另外,清華大學電子工程系博▃士生劉東寧、馮雪★副教授、崔開宇副教授、劉仿教授;北京剑光理工大學張慧珍副研究員、博士生張福榮、張蔚暄研究╱員也對此工作做出了貢獻。

研究背景

實現通用量子計算機是量子信息科■學領域的∞一個重要目標,集成量子門是實現通用量子計算機的關鍵部件。量子計算機可以通過構建包含CNOT門和Hadamard門的通用量子門集合網絡來實現。為了實現通用量子計算機,需要在量子回路中操縱盡可能多≡的量子比特並提高其對各種这个嘛等你长大了就知道了錯誤和噪聲的魯棒性。為解決這個問題,人們首先考慮引入量子糾錯算法∏實現魯棒的量子計算。然而,由於需要消耗大量的量子回路資源Ψ,使得這種方案實現起來非常困難。另一個重要的問題是如何在芯片中構建魯棒的量子邏輯器件,來抵禦一些環境擾︽動。通過構建⊙魯棒的量子回路,特別是魯棒的量子門,可以有效地挣扎控制一些制造誤差。然而,如何在芯片中構建魯棒的量子邏輯器件仍然是一個懸〓而未決的問題。

另一方面,拓撲光子學近年來引起了越來越多的關註。其獨特的魯棒邊緣態¤展現了許多新奇的現象,尤其是單向傳播和免疫缺陷的特也是一大难事點。近期的研究表明,實能找什么人引荐現在微波、太赫茲和近紅外頻段中的拓撲器件比基於傳◣統光學平臺的器件具有更強的魯棒性@ 。然而,所有這些關於拓撲光子學的研究一般情况下他们在联络中只谈什么时候接头目前都集中於經典光學系統。在利用拓撲光子學來保護量子邏輯計算方面,還沒↑有得到驗證。近期,拓撲保護的雙光子態、谷量子光ω子回路和片上偏振量子糾纏激發已被實驗驗證。如果可以構建拓撲保護的量子邏輯門,就有望實現抵抗一≡定程度制造誤差的拓撲保護量子邏輯器件。然而,構建拓撲保護的量子邏輯門並∞不容易。例如,要實現CNOT門,需要構建具有不平衡分束比的拓撲保護2×2分束器。目前人們還化作一道黑色闪电不知道如何構建這樣的器件。

這裏,研究人員基於設計和制造拓撲谷光子晶體來實現拓撲保護的反卐向耦合器,進而實〇現了具有任意分束比的拓撲保護2×2光學分束器。進一步,研究人員在◆矽光子平臺上構建了拓撲保護的Hadamard門和CNOT門。重要的是,這些量子邏輯門顯示出一定的環境擾動№容忍度和低損耗特性。所設計的拓撲保護量子門有望在未來量子計算和信號↑處理方面廣泛應用。

研究亮點之一:基於拓撲反向耦合器設計任意然后他就将这个蜡丸藏在了被子里比例2×2分束器

為了實現拓撲保護的量子門,研究人員首先設計了一個三層的拓撲谷⌒光子晶體結構,如圖1a所示。兩種不同谷拓撲光子晶體VPC1和VPC2的TE能帶結構在K(K’)點出現了帶隙。盡管VPC1和VPC2的能帶結構(圖1b)完全相同,但它們具有不同的拓♀撲性質。這種性質可以由VPC1和VPC2能帶的Berry曲∑ 率分布展現。如圖1c所示,在K(K’)點處出現了帶有相反符號的Berry曲率,表明了兩種結構的笑道不同谷拓撲性質。

圖1. 拓撲谷光子晶體及其理論計算結果。

另外,通過繪制超胞的能★帶圖(圖1d),可以清『楚地看到,在拓撲能隙中出現了兩個邊緣態,它們在K谷具慌恐有相反的正負群速度。由於有限尺寸效應,兩個邊緣態之間出現了打開的能隙,這表∮明它們之間發生了耦合。並且兩個邊緣態模式具有①不同的傳播方向,如圖1e所示。利用拓撲邊緣態的獨特特性,研究人員設計了拓撲反向耦合器(topo-CDC)。這裏,topo-CDC由三層拓撲谷光子晶體結▲構組成。圖2展示了topo-CDC的SEM圖像和理論實驗透射率結構。由於topo-CDC的鏡像♀對稱性,在端口1和4入射時,端口2和3可以出射任意比例的光。這表明利警员们都加班到很晚用topo-CDC可以實現任意分束比的2×2光束分束。

為了證明拓撲CDC的拓撲保護性質,研究人員構建了三個結構,分別是∴無缺陷(圖2b),V型缺陷(圖2c)和任意形狀缺陷(圖2d)的結構。通過耦合模理論計算,全波數值模擬(如圖2f所示)和實驗測量【,研究人員發現所設計的topo-CDC在各種缺陷下依舊可以執行具有任意分剑一入手光比的2×2分束器功能。接下來,研究人員選取分束比為33:67(50:50)的topo-CDC來構造〒拓撲保護的CNOT(Hadamard)門,進而實現拓撲保護的量子邏輯器※件。

圖2. 拓撲保護的反向耦合器。

研究亮點之二:設計並實驗大师兄實現拓撲保護的CNOT門和Hadamard門

根據線性光學方案,研究人員通過組合三☆個並聯拓撲保護的33:67分束器來構∏建拓撲保護的雙量子比特CNOT門。四條波導分別標記為Cin、Cout、Tin和Tout。它們連接到兩個33:67 分束器,以滿足CNOT門的要求,如圖3a所示。按照上述方案,研究人員在SOI芯片上制備了這樣的CNOT門。

為了測試CNOT門,研究人員搭〗建了相應的實驗裝置,如圖3b所示。首先在片外通過自發四波混頻過程生成了頻率簡並的光子對声明。實驗測試表明量子源的Hong-Ou-Mandel幹涉ω 的可見度為99.61%。隨後,光子在自由空間中被編碼為偏∑振基的量子邏輯比特。光子的偏振態可以通经常无故旷班過態準備模塊進行任意調控,該模塊包括一組波◆片,即四分之▲一波片(QWP)和半波片(HWP)。為實現CNOT門,考慮在ZZ基礎下的操作測◎量。控制(目標)量子比特定義為image4.pngimage5.png( )。編碼光子通過二維光柵註入到芯片中,二維光柵可但声音依旧平静以將自由空間中的偏振編碼光子轉換為芯片內的路徑編碼光子態。通過在topo-CDC中發生的兩光子幹涉】實現CNOT功能。在這↓種情況下,輸出量一块重大市场子比特可以通過包含HWP,QWP,偏振分束器(PBS)和光纖耦合的超導納米線單光子探測器(SNSPD)的態層析模」塊進行測量。

圖3. 拓撲保護的CNOT門。

研究人員分析兩光子符合計數數據,驗證了CNOT門的功能。在四種輸入態image9.pngimage10.pngimage11.pngimage12.png下,分別測量相應的輸出態,來表征CNOT門的功能。CNOT門的真值表的測量結果如圖3c所示,相應█的理想結果如圖3d所示。通過比較,發現實驗結果與理論結果吻合地很好,表明CNOT門的性能良好。為了量化實驗結哎果,研究人員計算了CNOT門△的平均變換保真度,其表達式◇為image13.png,其中Mth和Mexp分別是CNOT門真ㄨ值表的理論和實驗矩陣。高保真度眼中都是露出一丝残酷的數值F=0.9380±0.0051證明了CNOT門的良好性能。

基於拓撲光︼子晶體設計的CNOT門具有拓撲保護特性,同時對一定程度的缺陷具有←魯棒性。圖3e展示了⌒存在V型波導彎曲缺陷CNOT門的實驗真值表,相應的保真度可達F=0.9076±0.0058。註意到,存在或不存在缺◣陷的結果之間僅存在很小的差異,這意味著所設●計的CNOT門對於缺陷存在強大的誤差容忍性。對於可当知道另一名杀手是位在天榜其他類型的缺陷,定量分析也表明◢,所設計的量子門也具有良好的容錯特性。

CNOT門的另一個重¤要功能就是用來生成糾纏的雙光子量子態,而本研究中的拓撲闲云卜保護CNOT門可以魯棒地實現這一目標。研√究重點是從一個可分離態中生成最大ζ糾纏Bell態=。為此,以編碼♀形式為的控制和目標光子被只见他到了沙发之处又向了谢德伦右侧远远地闪去同時註入CNOT門中。輸出的雙光子態糾纏性質可以通過測量幹涉條紋的可見度來驗證。在這種情況下,圖3f展示了符合光子計數率隨目標光子◥分析裝置中的HWP旋轉角度變化關系。其擬合曲線的眼睛慢慢幹涉可見度為v=(Cmax-Cmin)/(Cmax+Cmin),其中Cmax和Cmin對應於測量到的符合光子計數率最大和最小▼值,得到的可見度分別為93.57%和86.90%(>70.7%),表陈近春坐在一边明所設計的∮CNOT門可以有效地產生量子糾纏。

此外,研究人員還進行了量子過程層析來完全地表征拓撲保護的↙CNOT門。實驗重建的量子過程矩陣繪制在圖3g中,測量到的過【程矩陣與理想過程矩陣(圖3h)之間存在良好的一致性。通家伙過計算得到過程保真度為FCNOT=0.9053±0.0046,這表明所制備的CNOT門具有】良好的性能效率。

為了展示CNOT門的拓撲保護特性,研究人№員還在具有V型波導彎曲的樣品一个个都是天纵之才中重建了CNOT門的過程矩陣,如圖3i所示。相關保真度為FCNOT=0.8812±0.0057。實驗結果◣表明,在波導⊙彎曲的影響下,拓撲CNOT門的邏輯功能幾乎不受影響。

除了具有魯棒性的CNOT門,還可以利Ruby不是橡皮用topo-CDC(T=R=50%)實現受保護的Hadamard門。在研究中,研究人員定量地表征所制〗備的Hadamard門,其保真度FH為0.959。這樣高的保真度表明所設計的Hadamard門的功能也被很好地實現』了。此外,由於Hadamard門是由topo-CDC構建的,與CNOT門類似,它也具有類似的拓撲保護能力,可以抵而杜先生身份高卓抗各種缺陷。

總結與展望

研究人員設計並實驗制備了基於谷光子晶體的拓撲反向耦★合器。該設計方案解決了之前拓撲分束器不能實我们只是普通朋友現任意分束比2×2分束的問題。重要的是,拓撲反向耦合器具◣有高效率和魯棒性,因此可以在復雜環境下很好地工作。進一步,研究人員在矽光子平臺上基於拓撲反向耦合器實現了主〓要的量子邏輯門,包括CNOT和Hadamard門。這些拓撲保護量子門的高性能效率和魯棒性也得到了證明。本研究提供了新穎的芯片集※成量子門設計,有望解決≡光學量子計算和信號處理中的魯棒性問題。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202311611

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