一种量子宇称编码再编码器

技术领域

本申请属于量子信息技术领域，具体而言，涉及一种量子宇称编码再编码器。

背景技术

宇称编码是光量子计算、量子通信中容错和纠错的重要技术手段，可以基于宇称编码构建容错量子计算模型，对量子计算过程中出现的错误进行纠错。典型的宇称编码利用两个实际量子比特来编码一个逻辑量子比特，如下式：

在基于宇称编码的量子信息处理应用中，为了进一步提升容错能力，一个关键技术是对宇称编码态进行再编码，即基于一个已有的宇称编码态重新得到一个新的宇称编码态，我们称能实现这样的过程的装置为宇称态再编码器。

目前的宇称编码再编码器基本采用偏振维度编码，偏振维度编码在光芯片集成方面存在困难，片上偏振调制器件和技术均不成熟，因此本申请提出一种基于路径编码的双光子宇称编码再编码器。

发明内容

基于上述内容，本申请提供一种量子宇称编码再编码器，基于路径编码并通过采用多个MZ干涉环和融合操作结构实现宇称编码再编码，结构简单紧凑、光路稳定性高。其具体方案如下：

本申请公开了一种量子宇称编码再编码器，包括两个贝尔态光源、宇称编码光源、六个MZ干涉环、两个融合操作结构、八个单光子计数模块和四个出射端口，两个所述贝尔态光源分别为第一贝尔态光源和第二贝尔态光源，六个所述MZ干涉环分别为第一MZ干涉环、第二MZ干涉环、第三MZ干涉环、第四MZ干涉环、第五MZ干涉环和第六MZ干涉环，两个所述融合操作结构分别为第一融合操作结构和第二融合操作结构，八个所述单光子计数模块分别为第一单光子计数模块、第二单光子计数模块、第三单光子计数模块、第四单光子计数模块、第五单光子计数模块、第六单光子计数模块、第七单光子计数模块和第八单光子计数模块，四个所述出射端口分别为第一出射端口、第二出射端口、第三出射端口和第四出射端口；

所述第一贝尔态光源、所述第二贝尔态光源和所述宇称编码光源均包括四个输出端；所述MZ干涉环和所述融合操作结构均具有两个输入端和两个输出端；

所述第一贝尔态光源的第一输出端与所述第一出射端口连接、第二输出端与所述第二出射端口连接、第三输出端与所述第一MZ干涉环的输入上端连接、第四输出端与所述第一MZ干涉环的输入下端连接；

所述第二贝尔态光源的第一输出端与所述第二MZ干涉环的输入上端连接、第二输出端与所述第二MZ干涉环的输入下端连接、第三输出端与所述第三出射端口连接、第四输出端与所述第四出射端口连接；

所述宇称编码光源的第一输出端与所述第二融合操作结构的输入下端连接、第二输出端与所述第六MZ干涉环的输入下端连接、第三输出端与所述第七单光子计数模块连接、第四输出端与所述第八单光子计数模块连接；

所述第一融合操作结构的输入上端与所述第一MZ干涉环的输出上端连接、其输入下端与所述第二MZ干涉环的输出上端连接、其输出上端与所述第四MZ干涉环的输入上端连接、其输出下端与所述第三MZ干涉环的输入上端连接；

所述第三MZ干涉环的输入下端与所述第二MZ干涉环的输出下端连接、其输出上端与所述第二融合操作结构的输入上端连接、其输出下端与所述第五MZ干涉环的输入下端连接；

所述第四MZ干涉环的输入下端与所述第一MZ干涉环的输出下端连接、其输出上端与所述第一单光子计数模块连接、其输出下端与所述第二单光子计数模块连接；

所述第五MZ干涉环的输入上端与所述第二融合操作结构的输出上端连接、其输出上端与所述第三单光子计数模块连接，其输出下端与所述第四单光子计数模块连接；

所述第六MZ干涉环的输入上端与所述第二融合操作结构的输出下端连接、其输出上端与所述第五单光子计数模块连接、其输出下端与所述第六单光子计数模块连接；

所述第一贝尔态光源和所述第二贝尔态光源均用于产生一对处于贝尔态的光子，且贝尔态光子的量子态为：

所述宇称编码光源用于提供一对已初始宇称编码的光子，初始宇称编码态为：

所述第一贝尔态光源产生的一个光子通过其第一输出端或第二输出端输出、另一个光子通过其第三输出端或第四输出端输出；所述第二贝尔态光源产生的一个光子通过其第一输出端或第二输出端输出、另一个光子通过其第三输出端或第四输出端输出；所述宇称编码光源产生的一个光子通过其第一输出端或第二输出端输出、另一个光子通过其第三输出端或第四输出端输出；其中所述第一贝尔态光源、所述第二贝尔态光源以及所述宇称编码光源的第一输出端和第三输出端用于输出

所述MZ干涉环用于对经过其路径上的光子进行H门操作，使经过MZ干涉环后光子的量子态演化为：

所述第一融合操作结构用于将从第一MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径与从第二MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径交换；

所述第二融合操作结构用于将从第三MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径与从宇称编码光源第一输出端输出光子的传输路径交换；

所述单光子计数模块用于对输入其上的光子进行探测计数。

进一步地，所述MZ干涉环包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器、第一相位调制器和第二相位调制器，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，第一相位调制器设置在第一50:50分束器的输入上端口处，第二相位调制器设置在干涉上臂上，且第一相位调制器的相位设置为

优选地，所述第一相位调制器和所述第二相位调制器均为热光相位调制器。

进一步地，两个所述贝尔态光源、所述宇称编码光源、六个所述MZ干涉环、两个所述融合操作结构、八个所述单光子计数模块和四个所述出射端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成。

总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本申请基于路径编码通过设置两个贝尔态光源、宇称编码光源、六个MZ干涉环、两个融合操作结构、八个单光子计数模块和四个出射端口实现量子宇称编码再编码，结构简单紧凑、光路简洁稳定性高，进一步提升纠错和容错能力。此外，本申请中各元器件可以通过单片集成工艺在衬底上一体化制作形成片上结构。

附图说明

为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种量子宇称编码再编码器的结构示意图；

图2为申请中六个MZ干涉环的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种量子宇称编码再编码器的原理示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为了便于理解和解释本申请实施例提供的技术方案，下面将先对本申请的背景技术进行说明。

贝尔态是量子计算中的重要概念之一，可以用来实现量子纠缠和量子通信等重要应用。对于一个两量子系统的纠缠形式，最常见的即为贝尔态，具有最大纠缠度的两量子位纯态，其表现形式有四种：

量子门是一种用于改变量子比特状态的操作，可以将一个量子比特的状态转换为另一个量子比特的状态，经常应用于量子计算，特别是量子线路的计算模型中。Hadamard门（H门）是常见的一种量子门，H门的作用是把一个量子比特的状态从

宇称编码是光量子计算、量子通信中容错和纠错的重要技术手段，可以基于宇称编码构建容错量子计算模型，对量子计算过程中出现的错误进行纠错。典型的宇称编码利用两个实际量子比特来编码一个逻辑量子比特，如下式：

在基于宇称编码的量子信息处理应用中，为了进一步提升容错能力，一个关键技术是对宇称编码态进行再编码，即基于一个已有的宇称编码态重新得到一个新的宇称编码态，我们称能实现这样的过程的装置为宇称态再编码器。

目前的宇称编码再编码器基本采用偏振维度编码，偏振维度编码在光芯片集成方面存在困难，片上偏振调制器件和技术均不成熟。

基于此，本申请提供一种量子宇称编码再编码器，如图1所示，包括两个贝尔态光源、宇称编码光源、六个MZ干涉环、两个融合操作结构、八个单光子计数模块和四个出射端口。在本申请中，两个贝尔态光源、宇称编码光源、六个MZ干涉环、两个融合操作结构、八个单光子计数模块和四个出射端口通过单片集成工艺在衬底上一体化制作而成，也即是量子宇称编码再编码器为片上结构，各元器件间布局紧凑、光路稳定性高。

为了便于描述位置和连接关系，两个所述贝尔态光源分别为第一贝尔态光源和第二贝尔态光源，六个所述MZ干涉环分别为第一MZ干涉环、第二MZ干涉环、第三MZ干涉环、第四MZ干涉环、第五MZ干涉环和第六MZ干涉环，两个所述融合操作结构分别为第一融合操作结构和第二融合操作结构，八个所述单光子计数模块分别为第一单光子计数模块、第二单光子计数模块、第三单光子计数模块、第四单光子计数模块、第五单光子计数模块、第六单光子计数模块、第七单光子计数模块和第八单光子计数模块，四个所述出射端口分别为第一出射端口、第二出射端口、第三出射端口和第四出射端口。

参考图1，第一贝尔态光源,第二贝尔态光源和宇称编码光源均包括四个输出端；MZ干涉环和融合操作结构均具有两个输入端和两个输出端。

具体地，第一贝尔态光源的第一输出端与第一出射端口连接、第二输出端与第二出射端口连接、第三输出端与第一MZ干涉环的输入上端连接、第四输出端与第一MZ干涉环的输入下端连接。

第二贝尔态光源的第一输出端与第二MZ干涉环的输入上端连接、第二输出端与第二MZ干涉环的输入下端连接、第三输出端与第三出射端口连接、第四输出端与第四出射端口连接。

宇称编码光源的第一输出端与第二融合操作结构的输入下端连接、第二输出端与第六MZ干涉环的输入下端连接、第三输出端与第七单光子计数模块连接、第四输出端与第八单光子计数模块连接。

第一融合操作结构的输入上端与第一MZ干涉环的输出上端连接、其输入下端与第二MZ干涉环的输出上端连接、其输出上端与第四MZ干涉环的输入上端连接、其输出下端与第三MZ干涉环的输入上端连接。

第三MZ干涉环的输入下端与第二MZ干涉环的输出下端连接、其输出上端与第二融合操作结构的输入上端连接、其输出下端与第五MZ干涉环的输入下端连接。

第四MZ干涉环的输入下端与第一MZ干涉环的输出下端连接、其输出上端与第一单光子计数模块连接、其输出下端与第二单光子计数模块连接。

第五MZ干涉环的输入上端与第二融合操作结构的输出上端连接、其输出上端与第三单光子计数模块连接，其输出下端与第四单光子计数模块连接。

第六MZ干涉环的输入上端与第二融合操作结构的输出下端连接、其输出上端与第五单光子计数模块连接、其输出下端与第六单光子计数模块连接。

第一贝尔态光源和第二贝尔态光源均用于产生一对处于贝尔态的光子，且贝尔态光子的量子态为：

宇称编码光源用于提供一对已初始宇称编码的光子，初始宇称编码态为：

初始宇称编码态可以通过对双光子纠缠态的两个光子分别做H门操作获取，双光子纠缠态为：

其中，

第一贝尔态光源产生的一个光子通过其第一输出端或第二输出端输出、另一个光子通过其第三输出端或第四输出端输出；第二贝尔态光源产生的一个光子通过其第一输出端或第二输出端输出、另一个光子通过其第三输出端或第四输出端输出；宇称编码光源产生的一个光子通过其第一输出端或第二输出端输出、另一个光子通过其第三输出端或第四输出端输出；其中第一贝尔态光源、第二贝尔态光源以及宇称编码光源的第一输出端和第三输出端用于输出

MZ干涉环用于对经过其路径上的光子进行H门操作，使经过MZ干涉环后光子的量子态演化为：

在本申请中，MZ干涉环包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器、第一相位调制器和第二相位调制器，如图2所示，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，第一相位调制器设置在第一50:50分束器的输入上端口处，第二相位调制器设置在干涉上臂上，且第一相位调制器的相位设置为

通过将第一相位调制器的相位调制为

第一融合操作结构用于将从第一MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径与从第二MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径交换。

第二融合操作结构用于将从第三MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径与从宇称编码光源第一输出端输出光子的传输路径交换。

单光子计数模块用于对输入其上的光子进行探测计数，以探测是否有光子输入其上。

为了使本申请更加清楚，下面将结合图3对量子宇称编码再编码器的工作原理进行详细的说明。

为了便于表述和理解，将第一贝尔态光源产生的其中一个光子命名为光子a，另一个光子命名为光子b；第二贝尔态光源产生的其中一个光子命名为光子c，另一个光子命名为光子d；宇称编码光源产生的其中一个光子命名为光子e，另一个光子命名为光子1。光子的量子态可能为量子比特0或量子比特1，处于不同量子态的光子输出路径也不同。第一贝尔态光源、第二贝尔态光源以及宇称编码光源的第一输出端和第三输出端用于输出

基于上述命名，将第一贝尔态光源的第一输出端与第一出射端口的传输路径记为0a路径，第一贝尔态光源的第二输出端与第二出射端口的传输路径记为1a路径，0a路径和1a路径组成路径a。第一贝尔态光源的第三输出端与第一MZ干涉环的输入上端的传输路径、第一MZ干涉环的输出上端与第一融合操作结构的输入上端的传输路径以及第一融合操作结构的输出上端与第四MZ干涉环的输入上端的传输路径组成0b路径；第一贝尔态光源的第四输出端与第一MZ干涉环的输入下端的传输路径以及第一MZ干涉环的输出下端与第四MZ干涉环的输入下端的传输路径组成1b路径；0b路径和1b路径组成路径b。

第二贝尔态光源的第一输出端与第二MZ干涉环的输入上端的传输路径、第二MZ干涉环的输出上端与第一融合操作结构的输入下端的传输路径、第一融合操作结构的输出下端与第三MZ干涉环的输入上端的传输路径、第三MZ干涉环的输出上端与第二融合操作结构的输入上端的传输路径以及第二融合操作结构的输出上端与第五MZ干涉环的输入上端的传输路径组成0c路径；第二贝尔态光源的第二输出端与第二MZ干涉环的输入下端的传输路径、第二MZ干涉环的输出下端与第三MZ干涉环的输入下端的传输路径以及第三MZ干涉环的输出下端与第五MZ干涉环的输入下端的传输路径组成1c路径；0c路径和1c路径组成路径c。第二贝尔态光源的第三输出端与第三出射端口的传输路径记为0d路径，第二贝尔态光源的第四输出端与第四出射端口的传输路径记为1d路径，0d路径和1d路径组成路径d。

宇称编码光源的第一输出端与第二融合操作结构的输入下端的传输路径以及第二融合操作结构的输出下端与第六MZ干涉环的输入上端的传输路径为0e路径，其第二输出端与第六MZ干涉环的输入下端的传输路径为e1路径，0e路径和01路径组成路径e。宇称编码光源的第三输出端与第七单光子计数模块的传输路径为01路径，其第四输出端与第八单光子计数模块的传输路径为11路径，01路径和11路径组成路径1。

基于上述路径描述，第一贝尔态光源和第二贝尔态光源输出的两对处于贝尔态的纠缠光子的量子态为：

这里需要注意的是，本申请是基于路径编码的量子宇称编码再编码器，在此公式以及下述公式中各个量子态的下标表示路径。

第一贝尔态光源输出的光子b经过第一MZ干涉环进行H门操作，则量子态演化为：

第二贝尔态光源输出的光子c经过第二MZ干涉环进行H门操作，则量子态演化为：

则经过第一MZ干涉环和第二MZ干涉环后，量子态演化为：

第一融合操作结构将从第一MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径与从第二MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径交换，参考图3，也即使将

经过第三MZ干涉环进行H门操作后，则量子态演化为：

为了更直观的表达和方便理解，这里将第四MZ干涉环输出上端与第一单光子计数模块的传输路径记为04路径，将第四MZ干涉环输出下端与第二单光子计数模块的传输路径记为14路径，04路径和14路径组成路径4。将第五MZ干涉环输出上端与第三单光子计数模块的传输路径记为03路径，将第五MZ干涉环输出下端与第四单光子计数模块的传输路径记为13路径，03路径和13路径组成路径3。将第六MZ干涉环输出上端与第五单光子计数模块的传输路径记为02路径，将第六MZ干涉环输出下端与第六单光子计数模块的传输路径记为12路径，02路径和12路径组成路径2。而由上述已知，宇称编码光源的第三输出端与第七单光子计数模块的传输路径为01路径，其第四输出端与第八单光子计数模块的传输路径为11路径，01路径和11路径组成路径1。

因此，经过第四MZ干涉环进行H门操作后，则量子态演化为：

则经过第三MZ干涉环和第四MZ干涉环后，量子态演化为：

其中，

第二融合操作结构将从第三MZ干涉环输出上端输出光子的传输路径与从宇称编码光源第一输出端输出光子的传输路径交换，也即使将

参考图3标注，宇称编码光源提供的初始宇称编码态为：

经过第二融合操作结构后，量子态演化为：

则整个量子态为：

经过第五MZ干涉环进行H门操作后，则相应的量子态演化为：

经过第六MZ干涉环进行H门操作后，则相应的量子态演化为：

则整个量子态演化为：

其中，

由上述最终的量子态结果可知，当路径1、2、3、4上有且仅有一个光子时，在路径a和d上会有以下4种结果：

这里第七单光子计数模块和第八单光子计数模块为一组单光子计数模块，第六单光子计数模块和第五单光子计数模块为一组单光子计数模块，第四单光子计数模块和第三单光子计数模块为一组单光子计数模块，第一单光子计数模块和第二单光子计数模块为第四组单光子计数模块。当四组单光子计数模块同时响应时，本申请的量子宇称编码再编码器实现对输入初始宇称编码态的再编码。如当第一单光子计数模块、第三单光子计数模块、第五单光子计数模块和第七单光子计数模块同时响应时，则宇称编码态被编码到

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。