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1、基于波导的光量子计算,刘宝杰 2015.12.31,Outline,1.研究背景2.波导的定向耦合过程3.基于波导的光量子计算4.基于超绝热的波导的量子计算5基于模式不匹配的非绝热和乐波导量子计算6.保真度和鲁棒性,研究背景,基于平台的实验系统是目前进行光量子计算演示实验的主要方式，该方法目前技术相对成熟，但是由于系统庞大，可扩展性比较差，已经到了技术发展的瓶颈期。基于波导的量子计算则是一种新型的光量子计算方式，虽然这种方式还处在起步阶段，但由于很好的小型化潜力和良好的可拓展性，有希望实现可拓展的光量子计算。,Laser written waveguide photonic quantum c
2、ircuitsOPTICS EXPRESS 12546（2009）,Nature Photonics 7, 540544 (2013),波导的定向耦合过程,1.定向耦合器:通过光刻的方式，使得两个波导的空间距离足够小以至于两个波导倏逝场重叠以实现干涉，通过精确调节定向耦合器处两个波导之间的间距和相互作用长度可以实现对耦合效率的调节.2.定向耦合基本原理：其中, 表示两个传播常数的不匹配量3.绝热过程：如果上述定向耦合满足 条件，非绝热项将趋于零 .,Silica-on-Silicon Waveguide Quantum Circuits10.1126/Science.1155441（2008）
3、,PhysRevA 91,053406(2015.5),波导定向耦合,对于波导来说绝热过程要求device length要大，绝热过程的耦合效率很高，对于一个理想的绝热定向耦合，耦合效率能达到100%。4.超绝热过程：修正项因为 为纯虚数，在线性波导耦合系统不能物理实现。因此我们构建一个新的dress state去实现.,AE Scheme,耦合参数： 不匹配量： 修正：,耦合强度和不匹配量：,SGQC Scheme,超绝热波导光量子计算(I),1.单比特几何相位门：一组正交态 可以实现超绝热几何量子门，在循环演化条件： ，任意初态 ，在传播距离L内改变超绝热哈密顿量 ,通过合适的改变的参数
4、和 进行演化得到不同的相位，其中包括动力学相和几何相，我们可以选择特殊的演化路径是动力学相消失，这样就可以的纯几何相位。所以有， ， 是几何相位.系统的末态为：其中，单比特门由几何相位 和初始值 决定.当 时,上面U变成了Hardmard门，在波导光量子计算里面,这个类似于分束器功能的H门是必须的.当 可以得到一个相位门 .当 ,可以得到 。任意一个单比特门可以由U1和U2联合实现。,Reference: Zhentao Liang etal.unpublished；S.-L.Zhu and Z.D.Wang PRL.89,097902(2002) OpticsLetters.39.00660
5、0(2014.12),超绝热波导光量子计算(II),2.两比特几何相位门（C-NOT）：如右面两幅图，第二幅展示了用于实现C-NOT门的波导结构，控制比特C和目标比特T分别由波导中的光子数来进行编码.如果在控制比特和目标比特的输出端口都探测到了信号（概率1/9）则表示CNOT门操作成功。该波导结构是完全根据Ralpf等在2002年提出的线性光学CNOT门方案来进行设计的。从右图可以看出整个波导芯片包含两个反射率为1/2和3个反射率为1/3的定向耦合器.为了提高耦合效率和保真度，在这个方案将利用超绝热几何1/2和1/3门代替普通1/2和1/3gate.单量子门和受控非门（CNOT）是通用的：单比特门和受控非门可以实现n量子比特门。,PhysRevA.65.062324(2002),Science.1155441（2008）,非绝热波导光量子计算(I),NAHG In Waveguide System(X.D.Zhang&B.J.Liu,submitted to OE.),非绝热波导光量子计算(II),NAHG realized by a single-shot implementation(PRA 92.052302.2015)Square Pulse:,保真度,AE.SQGC Guess pulseNAHG,
