任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片的制作方法
【專利摘要】一種量子光學(xué)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，包括：一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器，光軸特定的雙折射波導(dǎo)在所述光學(xué)玻璃芯片的一個(gè)端面設(shè)有開口，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，該波導(dǎo)的另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器相連。本實(shí)用新型采用激光光束傾斜直寫的辦法，在透明硬質(zhì)材料中制造由偏振態(tài)變換元件和偏振態(tài)分離元件組成的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)波片和偏振分束器的微型化、可集成化，避免了其在宏觀光路中的連接誤差、接入損耗及接口噪聲等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并且使制造成本和周期大大降低。
【專利說明】任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及的是一種量子光學(xué)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的元件，具體是一種基于雙折射波導(dǎo)，具有光學(xué)波片功能和偏振分束功能，可對(duì)任意偏振態(tài)量子比特進(jìn)行投影分離的量子光學(xué)芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的信息技術(shù)中，信息是以二進(jìn)制的形式傳遞的，即所有信息都是由O和I組成的或長(zhǎng)或短的字符串，其中每一個(gè)O或I這樣的單元被叫做比特(bit)，而每一個(gè)比特只能是O或者I。與傳統(tǒng)信息技術(shù)一樣，量子信息技術(shù)也使用二進(jìn)制來編碼以傳遞信息，編碼信息的最小單元叫做量子比特(qubit，即quantumbit的縮寫)，所不同的是量子比特除了可以是O或I以外，還可以是這兩個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)。由于與環(huán)境的相互作用較好控制與調(diào)制，而且以光子為探測(cè)分析對(duì)象的儀器設(shè)備發(fā)展較為成熟，所以光子通常被當(dāng)做量子信息技術(shù)的信息載體。因?yàn)橐M(jìn)行二進(jìn)制編碼，所以只要找到光子的一組雙級(jí)屬性并將兩級(jí)分別賦值為O和I即可。光子的一個(gè)最顯著的特性就是它的偏振性，穩(wěn)定且區(qū)別性強(qiáng)，所以通常利用光子的不同偏振狀態(tài)，如一對(duì)正交的線偏振態(tài)，來作為量子比特值O或I的物理實(shí)現(xiàn)，形成偏振態(tài)量子比特。
[0003]對(duì)偏振態(tài)量子比特的操控主要是改變其偏振狀態(tài)(對(duì)于線偏振光主要指偏振方向)，使其轉(zhuǎn)變成某一特定偏振狀態(tài)的光子。宏觀光學(xué)領(lǐng)域主要是采用光學(xué)波片(opticalwaveplate),如半波片(halfwaveplate)、四分之一波片(quarterwaveplate)及其組合來實(shí)現(xiàn)，原理是改變波片光軸方向的偏振分量和與之垂直的偏振分量之間的位相差。半波片造成的位相差改變?yōu)閚，可改變線偏振光的偏振方向；而四分之一波片造成的位相差改變?yōu)棣?2，可將線偏振光轉(zhuǎn)變成圓偏振光(更普遍的說是橢圓偏振光)或做相反的操作。因此，波片可作為偏振控制器(polarization controller),用來補(bǔ)償光信號(hào)在介質(zhì)中傳播后產(chǎn)生的偏振狀態(tài)的改變。比如在光纖中，光信號(hào)可能因幾何位相(如光纖關(guān)于光軸的扭曲)、雙折射、偏振模式色散、與偏振狀態(tài)相關(guān)的損耗等因素發(fā)生偏振狀態(tài)的改變，這對(duì)于使用偏振態(tài)量子比特的量子信息系統(tǒng)來說后果是災(zāi)難性的。為了在需要測(cè)量偏振態(tài)量子比特經(jīng)過光纖或其他光路介質(zhì)后的偏振態(tài)時(shí)，量子比特的偏振狀態(tài)依然為一對(duì)正交偏振態(tài)，必須對(duì)其已改變的偏振狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0004]在量子比特恢復(fù)為一對(duì)正交偏振態(tài)后，就可以按照偏振特性對(duì)量子比特進(jìn)行分尚并測(cè)量了。因?yàn)闇y(cè)量?jī)x器本身并不能分辨光子的偏振狀態(tài)，所以需要先將具有不同偏振狀態(tài)的光子分成兩路，在終端放置測(cè)量?jī)x器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)光子偏振狀態(tài)的測(cè)量，因此這一依據(jù)偏振狀態(tài)來分離光子的器件就顯得十分重要。宏觀光學(xué)通常使用偏振分束器(PolarizingBeam Splitter,簡(jiǎn)稱PBS)來作為偏振態(tài)量子比特的分尚器件。
[0005]超快激光直寫式制造技術(shù):超快激光是脈沖持續(xù)時(shí)間小于I皮秒的脈沖激光，在如此短的脈沖持續(xù)時(shí)間下，瞬時(shí)能流變得非常巨大，許多非線性光學(xué)現(xiàn)象得以發(fā)生。光子的能量只與其波長(zhǎng)有關(guān)。在弱光情況下，要想使物質(zhì)分子吸收光子而發(fā)生物性的改變，光子能量就必須高于吸收的閾值；但在光強(qiáng)極強(qiáng)的情況下，雖然單光子的能量無法達(dá)到閾值，但是因?yàn)楣鈭?chǎng)中有極多的光子，物質(zhì)分子同時(shí)遇到兩個(gè)或以上光子的概率極大增加，而其總能量達(dá)到或超過吸收閾值，這使吸收成為可能。物質(zhì)對(duì)光子的非線性吸收的條件極為苛刻，通常需要對(duì)超快激光進(jìn)行聚焦，在激光的焦點(diǎn)處才有滿足非線性吸收的足夠強(qiáng)的光場(chǎng)。然而這一苛刻的要求正是這種基于非線性光學(xué)現(xiàn)象的加工手段的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)聚焦長(zhǎng)波長(zhǎng)激光時(shí)，在聚焦的路徑上因?yàn)楣鈴?qiáng)過小，物質(zhì)不會(huì)吸收光子發(fā)生物性變化，只有在焦點(diǎn)處光強(qiáng)達(dá)到能使非線性吸收發(fā)生的區(qū)域，才能發(fā)生物質(zhì)對(duì)光子的吸收。這使得這種加工手段可以在不損傷材料表面的情況下對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行選擇性的修飾，制造任意形狀的三維結(jié)構(gòu)。另一方面，因?yàn)榘l(fā)生非線性吸收需要光強(qiáng)達(dá)到一定閾值，這一閾值的等光強(qiáng)面是一個(gè)橢球面，在橢球面上及其內(nèi)部，非線性吸收可以發(fā)生，所以我們可以通過調(diào)節(jié)聚焦前激光的光強(qiáng)來改變這一橢球區(qū)域的大小，通過降低光強(qiáng)甚至可以讓其小于衍射極限，這又為超快激光的直寫式加工帶來了極高的加工精度。超快激光對(duì)三維物體的加工就是將物性經(jīng)曝光發(fā)生改變的橢球微點(diǎn)逐漸堆積起來形成所要得到的三維目標(biāo)物。這一過程正是微積分的原理，即將三維物體“微分”成曝光區(qū)域大小的點(diǎn)的集合或粗細(xì)與這樣的點(diǎn)大小相仿的線的集合，通過讓焦點(diǎn)在這個(gè)點(diǎn)陣或線陣中進(jìn)行逐點(diǎn)逐線的曝光，逐步將物性發(fā)生改變的單元“積分”成期望得到的三維物體(如圖1)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]光子的偏振態(tài)是量子計(jì)算及量子信息處理中非常重要且最為常用的量子比特編碼手段。采用此手段的量子信息處理目前主要依靠由宏觀光學(xué)元件(如光纖、分束器、波片、偏振分束器)所組成的光學(xué)裝置來實(shí)現(xiàn)。盡管宏觀光學(xué)元件本身的制造技術(shù)成熟，性能可靠，但是由于需要相互連接，裝置不可避免的存在連接誤差、接入損耗、以及接口噪聲等各種影響整體穩(wěn)定性、可靠性的因素；同時(shí)還存在系統(tǒng)復(fù)雜、笨重，難以小型化、便攜化及大規(guī)模集成，成本高、搭建周期長(zhǎng)、不利實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用等缺點(diǎn)。用超快激光直寫技術(shù)來一次成型地制造集成有光子學(xué)元件的量子光學(xué)芯片是對(duì)以上技術(shù)缺點(diǎn)的解決辦法。另一方面，在量子計(jì)算及量子信息處理中，只需要兩種基本的線性邏輯門就能實(shí)施對(duì)量子比特的任意操作，實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算，它們分別為雙量子比特門(如受控非門controlledNOT - gate)及單量子比特旋轉(zhuǎn)門。在以偏振態(tài)來編碼光子形成量子比特的量子信息處理光學(xué)回路中，對(duì)量子比特的操作通常是由波片組合來實(shí)現(xiàn)的，但是波片較難集成在量子光學(xué)芯片上。同樣，對(duì)于用作正交偏振態(tài)分離的普通偏振分束器也無法有效集成到量子光學(xué)芯片中。
[0007]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，在超快激光直寫式制造技術(shù)(如圖1)的基礎(chǔ)上，采用激光光束傾斜直寫的辦法(如圖2)，在透明硬質(zhì)材料中制造由偏振態(tài)變換元件和偏振態(tài)分離元件組成的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，這不僅完善了偏振編碼量子光學(xué)芯片技術(shù)，使其有了與宏觀光學(xué)中的波片和偏振分束器功能對(duì)應(yīng)的光子學(xué)元件，而且實(shí)現(xiàn)了光學(xué)波片的微型化、可集成化，避免了其在宏觀光路中的連接誤差、接入損耗及接口噪聲等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并且使制造成本和周期大大降低。
[0008]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:[0009]本實(shí)用新型涉及一種任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，具體為長(zhǎng)方形薄片結(jié)構(gòu)的光學(xué)玻璃芯片，包括:一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器，其中:光軸特定的雙折射波導(dǎo)在所述光學(xué)玻璃芯片的一個(gè)端面設(shè)有開口，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，其另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器相連。
[0010]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)的雙折射光軸重合或傾斜于芯片法線，可將任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)。
[0011]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)優(yōu)選通過波片實(shí)現(xiàn)。
[0012]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)的雙折射光軸依據(jù)所要轉(zhuǎn)換的偏振態(tài)以一定角度傾斜于芯片法線；波導(dǎo)的長(zhǎng)度也視所要轉(zhuǎn)換的偏振態(tài)而定。
[0013]所述的雙折射波導(dǎo)定向耦合器實(shí)現(xiàn)偏振分束，由兩條帶有雙折射性質(zhì)的相互耦合的波導(dǎo)構(gòu)成，其中:第一和第二耦合波導(dǎo)在位于所述的光學(xué)玻璃芯片的端面上均設(shè)有開口，第一耦合波導(dǎo)的另一端與光軸特定的雙折射波導(dǎo)相連，第二耦合波導(dǎo)的另一端為盲端(如圖3)。
[0014]所述的第一和第二耦合波導(dǎo)在耦合區(qū)域內(nèi)相互平行，在耦合區(qū)域末端開始逐漸分離，在距離芯片端面幾個(gè)毫米時(shí)恢復(fù)平行，具體值視應(yīng)用需要而定。
[0015]經(jīng)雙折射波導(dǎo)而轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)經(jīng)過耦合區(qū)域后，按照其偏振方向進(jìn)入第二耦合波導(dǎo)傳播或繼續(xù)沿第一耦合波導(dǎo)傳播最后從相應(yīng)出口出射，即某一方向的線偏振態(tài)與其正交方向的線偏振態(tài)分尚，至此該芯片完成任意偏振態(tài)量子比特投影分離的功能。
[0016]技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括:
[0018]I)上述芯片實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)量子比特投影分離裝置的微型化，將需要在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)上搭建的裝置光路集成到一塊芯片上，占用空間和重量減小多個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)節(jié)省了裝置搭建器材，降低了裝置制造成本。
[0019]2)上述芯片制造工藝建立在超快激光直與式制造技術(shù)基礎(chǔ)之上，利用了超快激光在玻璃材料中直寫帶來的雙折射現(xiàn)象，創(chuàng)新性的采用了激光光束傾斜直寫的方式來制造雙折射光軸可調(diào)控的波導(dǎo)，解決了宏觀光學(xué)波片難以芯片化的問題；同時(shí)讓芯片化的“波片”具有極高的設(shè)計(jì)自由度，簡(jiǎn)化了偏振態(tài)變換裝置。此外，利用基于雙折射波導(dǎo)的定向耦合器解決了宏觀偏振分束器芯片化的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為超快激光直寫式制造技術(shù)示意圖。
[0021]圖2為寫入方向豎直(左)與傾斜(右)的波導(dǎo)直寫截面示意圖。
[0022]圖3為任意偏振態(tài)投影分離芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例的操作環(huán)境為:超快激光直寫式加工系統(tǒng)，采用的芯片材料為硼硅酸鹽玻璃，待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)量子比特的光子波長(zhǎng)為810納米。
[0026]本實(shí)施例的具體操作步驟為:
[0027]I)使用示波器測(cè)得待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)量子比特在豎直和水平方向的偏振分量的振幅比r=AV/AH=4/7,兩分量間的位相差為δ =2 Ji /5
[0028]2)根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.一種任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征在于，所述芯片為長(zhǎng)方形薄片結(jié)構(gòu)的光學(xué)玻璃芯片，包括:一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器，其中:光軸特定的雙折射波導(dǎo)在所述光學(xué)玻璃芯片的一個(gè)端面設(shè)有開口，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，其另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)的雙折射光軸重合或傾斜于芯片法線，將任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)通過波片實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的雙折射波導(dǎo)定向耦合器實(shí)現(xiàn)偏振分束，由兩條帶有雙折射性質(zhì)的耦合波導(dǎo)構(gòu)成，其中:第一和第二耦合波導(dǎo)在位于所述的光學(xué)玻璃芯片的端面上均設(shè)有開口，第一耦合波導(dǎo)的另一端與光軸特定的雙折射波導(dǎo)相連，第二耦合波導(dǎo)的另一端為盲端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的第一和第二耦合波導(dǎo)在耦合區(qū)域內(nèi)相互平行，在耦合區(qū)域末端開始逐漸分離，在芯片端面處恢復(fù)平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的偏振分束是指:經(jīng)雙折射波導(dǎo)而轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)經(jīng)過耦合區(qū)域后，按照其偏振方向進(jìn)入第二耦合波導(dǎo)傳播或繼續(xù)沿第一耦合波導(dǎo)傳播最后從相應(yīng)出口出射，完成某一方向的線偏振態(tài)與其正交方向的線偏振態(tài)分尚。
【文檔編號(hào)】G02B6/27GK203799050SQ201420182944
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】金賢敏, 林曉鋒, 高俊, 嵇玲, 馮振 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)