ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК G06N10/00 G06N10/40 

Группа изобретений относится к области оптических информационных систем оптоэлектроники, а именно к конструкции оптического квантового компьютера.

Основными конструктивными элементами квантового компьютера являются: квантовый регистр, состоящий из N квантовых кубитов, квантового процессора, в котором происходит взаимодействие квантовых кубитов, блока считывания конечного состояния кубитов и цифрового компьютера, управляющего начальным состоянием квантового регистра и считыванием конечного состояния кубитов.

Известно, что для реализации квантовых вычислений необходимо обеспечить: инициализацию начального состояния кубитов (загрузку данных), унитарные преобразования над кубитами (реализацию алгоритма вычислений) и считывание конечного состояния кубитов (считывание результатов вычислений) (см., например, Валиев К.А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография. Вестник российской академии наук. 2000. Т. 70. №8. С. 688-695.; М. Нильсен, И. Чанг, «Квантовые вычисления и квантовая информация». М.: Мир, 2009, 347-349).

Известно устройство квантового компьютера состоящее из N кубитов, представляющих собой атомы рубидия в газообразном состоянии, находящиеся в сверхвысоком вакууме в оптических пространственных ловушках, образующих двумерный пространственный массив, представляющий собой пространственную решетку из N оптических ловушек, созданных N сфокусированными гауссовыми пучками с помощью лазера, генерирующего на определенной длине волны и пространственного акустооптического модулятора, с помощью которого создается 2D оптическая решетка с пространственным периодом порядка нескольких микрон, представляющих квантовый регистр. Квантовый процессор представляет собой тотже двумерный массив атомов, облучаемых через двухволновое зеркало другим лазером с резонансной длиной волны, переводящим одновременно каждый атом рубидия из N массива оптических ловушек в ридберговские возбужденные состояния, в которых N атомов решетки взаимодействуют между собой за счет кулоновских внутриатомных электростатических полей. Результат взаимодействия возбужденных атомов (кубитов) считывается при облучении этих же атомов микроволновым излучением, вызывающим флуоресценцию атомов из оптических ловушек и сигнал флуоресценции регистрируетсяс помощью управляемой видеокамерыи при этом сигнал пропорциональный интенсивности флуоресценции с двумерного массива оптических ловушек регистрируется цифровым компьютером. Таким образом, квантовый регистр состоит из N атомов, в каждой оптической пространственной ловушке находится по одному атому в невозбужденном состоянии, обладающих квантовой запутанностью, суперпозицией и когерентностью. В квантовом процессоре в результате кулоновского взаимодействия атомов происходит процесс вычисления, при этом конечный результат считывается при резонансном микроволновом облучении ридберговских атомов (кубитов) в пространственном массиве оптических ловушек, вызывающих их флуоресценцию (Mikhail D Lukinеt. al. Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature, 2017, Nov. 29, 551(7682):579-584.doi: 10.1038/nature24622. Loïc Henriet, Lucas Beguin, Adrien Signoles, Thierry Lahaye, Antoine Browaeys, Georges-Olivier Reymond, Christophe Jurczak. QUANTUM COMPUTING WITH NEUTRAL ATOMS. Quantum 2020, 09, 17.Quantum computing with atomic qubits andRydberg interactions: Progress and challengesM. Saffman. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2016, 49, 1-27). Известно что, учитывая спин ядра, электрон на внешней оболочке атома рубидия находится в основном сверхтонком долгоживущем состоянии. При сверхнизких температурах, при которых тепловая энергия кТ много меньше сверхтонкого расщепления в основном состоянии атомов рубидия, два из которых рассматриваются как кубит, а ансамбль атомов в таких состояниях представляет собой ансамбль невзаимодействующих кубитов или их инициализация.

Для удержания атомов в таких высоковозбужденных состояниях и требуются сверхнизкие температуры порядка микро-Кельвина. В настоящее время максимальный квантовый регистр содержит 51 атом рубидия в возбужденном состоянии в течение микросекунд. Сложная система резонансного радиочастотного считывания квантового состояния индивидуальных атомов в оптической ловушке в возбужденном состоянии предполагает технические трудности в управлении и реализации такого квантового процессора, особенно с ростом числа кубитов, кроме того для функционирования такого квантового компьютера требуется температура мкК.

Известно устройство квантового компьютера на основе сверхпроводящих туннельных Джозефсоновских кубитов (Philip Krantz, Morten Kjaergaard, Fei Yan, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson, William D.Oliver. A Quantum Engineer's to Superconducting Guide Qubits. Applied Physics Reviews 6, 021318 (2019) (https://doi.org/10.1063/1.508955). Yulin Wu, Wan-Su Bao, Jian-Wei Panat. et.al. Strong Quantum Computational Advantage Using Superconducting Quantum Processor. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 127, 180501 (2021). Сверхпроводящий кубит представляет собой микроструктуру из двух тонкопленочных металлических пластин, обычно из алюминия, разделенных диэлектрической нанопленкой из окиси алюминия, толщиной порядка 2 нм и представляющих туннельный наноконденсатор через который туннелирует куперовская пара электронов в условиях сверхпроводимости. Этот джозефсоновский туннельный контакт, при подаче постоянного напряжения в зависимости от его значения генерирует электромагнитное излучение на определенных частотах квантовых переходов в микроволновом диапазоне, имеющие достаточную добротность, при этом частоты квантовых переходов таких кубитов лежат в микроволновом диапазоне. Для взаимодействия кубитов используются микроволновые интерферометры Маха-Цандера, представляющие собой квантовый процессор.

Наличие замкнутого сверхпроводящего контура (сверхпроводящей петли) в схемах кубитов обеспечивает возможность подстройки частотного спектра кубита внешним магнитным полем. Фактически, сверхпроводниковый кубит является искусственным атомом, реализуемым на подложке. Низкие частоты квантовых переходов сверхпроводниковых кубитов на куперовских парах (6-10 ГГц) требуют использования сверхнизких температур для подавления шумов (ниже 50 мК) и развития низкотемпературных микроволновых методов. Для манипуляций и контроля состояний кубитов требуются также импульсные СВЧ-методики. Основной методикой является измерение осцилляций Раби, которые связаны с переходами между основным |0› (или |g›) и возбужденным |1› (или |e›) состояниями кубита под действием приложенного микроволнового сигнала.

Основным преимуществом использования сверхпроводящих кубитов является относительно простой процесс изготовления с использованием стандартных методов электронно-лучевого напыления и нанолитографии, широко используемых при производстве полупроводниковой электроники. В основе работы сверхпроводящих кубитов лежит квантовый эффект Джозефсона. В работе (R. Barends, A. Shabani, L. Lamataetal., Nature 534, 222 (2016) приведено краткое описание основных типов сверхпроводниковых кубитов, в частности, трансмонов и флюксониумов, времена когерентности которых достигают десятков и сотен микросекунд. Фирмой GOOGLE разработан квантовый компьютер на таких принципах с числом кубитов, достигающих 51. Квантовый регистр, состоящий из 51 сверхпроводящих джозефсоновских полупроводниковых кубитов, охлажденных до температуры милли-Кельвина, на каждый из которых поступает микроволновое излучение на своей частоте из управляющих генераторов и электронные СВЧ копланарные линии связи этих кубитов, выполняющих роль квантового процессора. Основные проблемы связаны с охлаждением микрочипов до температуры милли-Кельвина, а при масштабировании числа кубитов возникают проблемы связанные с микроволновым считыванием состояния кубитов и взаимным влиянием этих СВЧ сигналов с ростом числа кубитов.

Наиболее близким к заявляемому является оптический квантовый компьютер, содержащий N=72 кубита (Han-Sen Zhong, Yu-Hao Deng, Jian-Wei Pan, et.al. Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light. Physical Review, 2021 - APS), включающий последовательно расположенные импульсный твердотельный лазер, генерирующий оптические импульсы со средней длиной волны λ в ближней инфракрасной области, выходной оптический пучок которого проходит нелинейный кристалл, генерирующий оптический пучок бифотонов с длиной волны 2λ, обладающих квантовой запутанностью, этот оптический пучок бифотонов пространственно с помощью дискретных оптических элементов (поляризационных делительных призм и зеркал) разделяется на N пучков которые вводятся в оптическую систему из N электро-оптических фазовых модуляторов, представляющих собой N квантовый регистр, на каждый элемент регистра поступают внешние электрические управляющие импульсы из цифрового компьютера. После прохождения N электро-оптических фазовых модуляторов, система N лазерных пучков из квантового регистра поступает в квантовый процессор, который представляет собой 2N многоканальный линейный оптический интерферометр Маха-Цандера, собранный на дискретных оптических элементах (поляризационных делительных кубиках, фазовых пластинок, прямоугольных призм и отражающих зеркал) выходной оптический сигнал с каждого выходного плеча интерферометра детектируется 2N пороговыми однофотонными управляемыми лавинными фотодиодами, при этом электрический импульс с каждого фотодетектора поступает на управляющий цифровой компьютер.

Однако данный оптический квантовый компьютер собран на дискретных оптических элементах, включая поляризационные делители лазерного излучения, дискретные электро-оптические модуляторы, многолучевые интерферометры Маха-Цендера, собранные на делительных призмах и зеркалах, поэтому такая интерференционная оптическая схема крайне чувствительна к механическим вибрациям и акустическим шумам и требует подавления механических вибраций до единиц и десятков нанометров.

Техническая проблема заключается в существенном уменьшении влияния механических и акустических шумов на стабильность функционирования оптического квантового процессора, собранного на базе дискретных оптических элементах, включая поляризационные делительные призмы, зеркала, существенно снижая оптические амплитудно-частотные шумы, к которым особенно чувствителен оптический квантовый компьютер, требующий стабильности многоканальных интерферометров с точностью λ/10-λ/100, таким образом, нестабильность дискретных элементов не должна превышать десятки нанометров. Такие жесткие требования на уровень механических вибраций реализованы в самом современном фотолитографе для производства кремниевых процессоров с наноразмерными структурами при облучении матриц экстремальным ультрафиолетовым излучением с длиной волны 13,5 нм (Нидерланды), при этом каждый фотолитограф размещается на сверхмассивном бетонном основании высотой в два этажа, как, например, в лидирующей в мире фирме по производству полупроводниковых нано процессоров TSMC (Тайвань).

Технический результат заключается в уменьшении (на несколько порядков) уровня поляризационных амплитудно-частотных шумов в оптическом квантовом процессоре, содержащем оптические устройства при использовании волоконно-оптических интегральных элементов из которых собран квантовый регистр, а квантовый процессор, состоящий из многоканальных линейных волоконно-оптических интерферометров состоит из одномодовых световодов с системой однофотонных фотодетекторов, при этом число взаимодействующих кубитов может составлять несколько сотен. В 2022 году экспериментально установлено, что поляризационная квантовая запутанность сохраняется в стандартном телекоммуникационном одномодовом оптическом волокне на геометрических длинах порядка 30 км при облучении на длине волны 1.52 нм, соответствующему минимальному значению оптических потерь в волокне (Timvan Leent, Matthias Bock, Florian Fertig, Robert Garthoff, Sebastian Eppelt, Harald Weinfurteret. al. Entangling single atoms over 33 km telecom fiber. Nature, V. 607, 7 July, 71-73, 2022.doi.org/10.1038/s41586-022-04764-4). Впервые продемонстрирована возможность распределения квантового ключа на расстоянии 300 км по оптоволокну (Corning SMF 28 ULL) на основе поляризационного кодирования фотонов в однопроходной оптической схеме по протоколу BB84 (Курочкин В.Л. и др. Автометрия 2015, 51 т.6. с. 17-22) при распределении квантового ключа на дальние дистанции по оптоволокну со сверхпроводящими детекторами), поэтому использование одномодового оптического волокна и сопряженных с ним интегральных волоконно-оптических модуляторов и волоконно-оптических интерферометров должно решить эти проблемы нестабильности для оптических квантовых компьютеров.

Результат достигается тем, что предложено два варианта устройства.

По первому варианту устройство оптического квантового компьютера с N кубитами, включающее лазер, генерирующий в ближней инфракрасной области, нелинейный кристалл, выполненный с возможностью формирования на выходе кристалла оптического пучка бифотонов, обладающих квантовой запутанностью, установленный на пути пучка биофотонов оптический разветвитель на N оптических каналов, квантовый регистр, состоящий из N фазовых электро-оптических модуляторов, управляемых с цифрового компьютера, выходы которых оптически связаны со входом квантового процессора, состоящего из N оптических линейных многоканальных интерферометров Маха-Цандера, оптические выходы интерферометров соединены с однофотонными лавинными фотодиодами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, согласно решению, дополнительно содержит второй идентичный первому квантовый регистр и второй квантовый процессор, при этом интерферометры процессора выполнены на оптических одномодовых волокнах, оптические выходы интерферометров соединены с однофотонными лавинными фотодиодами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, в качестве лазера выбирают инжекционный одночастотный полупроводниковый лазер с системой стабилизации выходной мощности и температуры лазерного кристалла, в качестве нелинейного кристалла выбран анизотропный отрицательный нелинейный кристалл, съюстированный в неколлинеарной оптической схеме с возможностью формирования из пучка бифотонов двух пространственно разнесенных оптических пучков бифотонов, два микрообъектива для ввода оптическиих пучков бифотонов в два идентичных волоконно-оптических канала на одномодовых волокнах, разветвитель выполнен волоконным и соединен с электро-опическими модуляторами, представляющими собой интегральные амплитудно-фазовые электро-оптические модуляторы, на выходе которых установлена оптическая система из четверть волновой и полуволновой пластин и поляризатора в каждом канале квантового регистра для управления поляризацией бифотонов, а оптический квантовый процессор состоит из 2N линейных многоканальных волоконно-оптических интерферометров Маха-Цандера, состоящих из одномодовых изотропных оптических волокон, а однофотонные лавинные фотодиоды содержат время-цифровые преобразователи, подключенные к управляющему цифровому компьютеру, содержащим электронную схему N совпадений для каждой пары двух сопряженных фотодетекторов.

По второму варианту оптический квантовый компьютер, включающий лазер, генерирующий в ближней инфракрасной области, нелинейный кристалл, выполненный с возможностью формированияна выходе оптического пучка бифотонов, обладающих квантовой запутанностью, установленный на пути пучка бифотонов оптический разветвитель на N оптических каналов, квантовый регистр, состоящий из N фазовых электро-оптических модуляторов, соединенных с цифровым компьютером, квантовый процессор из 2N оптических линейных многолучевых интерферометров Маха-Цандера, вход которого оптически связан с выходами N электрооптических модуляторов, оптические выходы интерферометров соединены с однофотонными фотодетекторами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, согласно решению, дополнительно содержит второй идентичный первому канал, в качестве лазера выбирают инжекционный одночастотный полупроводниковый лазер с системой стабилизации выходной мощности, в качестве нелинейного кристалла выбирают анизотропный отрицательный нелинейный кристалл, съюстированный в неколиннеарной оптической схеме с возможностью формирования из пучка бифотонов двух пространственно разнесенных оптических пучков бифотонов, два микрообъектива для ввода оптических пучков бифотонов в два идентичных оптических канала, выполненных на одномодовых волокнах, разветвитель выполнен волоконным и соединен с электроопическими модуляторами, представляющими собой интегральные амплитудно-фазовые электрооптические модуляторы, на выходе которых установлена оптическая система из четверть волновой и полуволновой пластин и поляризатора в каждом канале квантового регистра, а каждый из двух идентичных оптических квантовых процессоров состоит из одномодовых изотропных оптических волокон, однофотонные фотодетекторы содержат время- цифровые преобразователи, подключенные к цифровому компьютеру. По второму варианту оптический квантовый компьютер, включающий лазер, генерирующий в ближней инфракрасной области, нелинейный кристалл, выполненный с возможностью формирования на выходе оптического пучка бифотонов, обладающих квантовой запутанностью, первый канал, включающий квантовый процессор, квантовый регистр, состоящий из N квантовых кубитов, включающий оптический разветвитель на N оптических каналов, N электрооптических модуляторов, соединенных с цифровым компьютером, выходы которых оптически связаны со входом квантового процессора, включающего интерферометр, оптические выходы интерферометра соединены с однофотонными фотодетекторами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, согласно решению, дополнительно содержит второй идентичный первому канал, при этом оба квантовых процессора представляют собой одномодовые волоконные интерферометры Саньяка одинаковой длины, на выходе каждого регистра установлен волоконно-оптический смеситель N каналов на один канал, на выходе каждого интерферометра Саньяка установлен акусто-оптический пространственный модулятор на N пучков, однофотонными детекторами, содержащими время-цифровые преобразователи, подключенные к цифровому компьютеру, при этом в качестве лазера выбирают инжекционный одночастотный полупроводниковый лазер с системой стабилизации выходной мощности, в качестве нелинейного кристалла выбран анизотропный отрицательный нелинейный кристалл, съюстированный в неколлинеарной оптической схеме с возможностью формирования из пучка бифотонов двух пространственно разнесенных оптическиих пучков бифотонов, два микрообъектива для ввода оптических пучков бифотонов в два идентичных волоконно-оптических канала на одномодовых волокнах, разветвитель выполнен волоконным и соединен с электро-оптическими модуляторами, представляющими собой интегральные амплитудно-фазовые электрооптические модуляторы, на выходе которых установлена оптическая система из четверть волновой и полуволновой пластин и поляризатора в каждом канале квантового регистра.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 - представлена блок-схема волоконно-оптического квантового компьютера по первому варианту; на фиг. 2 - блок-схема волоконно-оптического квантового компьютера по второму варианту.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - одночастотный инжекционный полупроводниковый лазер; 2 - нелинейный одноосный кристалл; 3 - микрообъектив; 4 - два идентичных волоконно-оптических канала на одномодовых волокнах; 5 - волоконный одномодовый разветвитель на N каналов; 6 - квантовый регистр; 7 - цифровой компьютер; 8 - амплитудно-фазовый электро-оптический модулятор; 9 - поляризационная система, состоящая из четвертьволновой и полуволновой фазовых пластин и поляроида; 10 - волоконно- оптический интерферометр; 11 - акусто-оптический дефлектор; 12 - однофотонный лавинный фотодиод; 13 - одномодовый волоконно-оптический смеситель; 14 - волоконный фазовый корректор; 15 - оптические зеркала; 16 - СВЧ синтезатор.

Оптический квантовый компьютер включает одночастотный инжекционный полупроводниковый лазер 1, генерирующий на длине волны λ (соответственно с энергией одного фотона hv=hc/λ) в ближней инфракрасной области спектра в диапазоне 750-780 нм со стабилизацией выходной мощности изменением тока инжекции и температуры лазерного кристалла и представляющего источник сжатого оптического излучения (Фроловцев Д.Н., Магницкий С.А., Демин А.В. Методика измерения поляризационно-запутанных состояний бифотонов с помощью квантового томографа // Измерительная техника. 2021. №10. С. 21-27. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-10-21-27); (2) - нелинейный одноосный кристалл из бета-бората-бария β - ВаВ2О4(BBO) (Д.Н. Клышко. Когерентный распад фотонов в нелинейной среде. Письма в ЖЭТФ, 6, 490-492 (1967); Д.Н. Клышко. Фотоны и нелинейная оптика. Гл. ред. Физ.-мат.лит. 1980.), осуществляющий параметрическое рассеяние света с генерацией ансамбля из бифотонов (каждый фотон распадается на два запутанных фотона с энергией hν/2) и соответственно оптическое излучение на длине волны 2λ в спектральном диапазоне (1500-1560 нм), съюстированный в неколлинеарной оптической схеме с двумя пространственно-разнесенными оптическими пучками бифотонов. Каждый из этих двух оптических пучков с помощью двух микрообъективов 3 вводится в два идентичных волоконно-оптических канала на одномодовых волокнах 4 и далее через волоконный одномодовый разветвитель на N каналов 5 в квантовый регистр 6, каждый состоящий из N интегральных амплитудно-фазовых электро-оптических модуляторов 8, управляемых с помощью цифрового компьютера 7 и оптической системы 9 в каждом из N каналов, состоящей из четвертьволновой и полуволновой пластины и поляризатора в каждом канале и представляющих собой N квантовый регистр. С выхода N квантового регистра 6, содержащего N одномодовых изотропных световодов оптическое излучение вводится в 2N многоканальный волоконный интерферометр Маха-Цандера 10 и каждого выхода 2N волоконного интерферометра оптическое излучение детектируется на 2N однофотонных лавинных фотодиодах 12, порог срабатывания которых управляется с цифрового компьютера 7. В случае интерферометра Саньяка 10 на его входной сигнал с помощью волоконно-оптический смеситель 13, поступает оптический пучок с каждого N квантового регистра, при этом для каждого N канала в регистре задается своя частота модуляции лазерного излучения помощью электро-оптического модулятора при подаче на него электромагнитного излучения СВЧ диапазона с СВЧ синтезатора 16 и управляемого цифровым компьютером 7, а выходной оптический пучок с интерферометра Саньяка поступает на акусто-оптический дефлектор 11 и разделяется на N оптических пучков, которые оптически смешиваются с помощью зеркал 15 и детектируются в 2N однофотонных фотодетекторах 12. С помощью волоконных фазовых корректоров 14 поддерживается одинаковая длина интерферометров.

Как показывают тестовые эксперименты, проведенные в прототипе для функционирования квантового оптического процессора необходима одинаковая длина оптических путей в дискретных интерферометрах, поэтому в каждом волоконно-оптическом плече интерферометра находится пъезоэлектрическая система коррекции длины волокна в пределах нанометров для предварительной настройки 14.

Особенностью квантового волоконно-оптического процессора на волоконном интерферометре Саньяка в отличие от интерферометра Маха-Цандера заключается в отсутствие автоподстройки длин плеч и соответственно оптических путей N плеч интерферометров.

Для обоих вариантов квантовых оптических процессоров, использование вместо дискретных оптических элементов в квантовых регистрах и квантовом процессоре волоконно-оптических одномодовых световодов, разветвителей и интегральных электро-оптических модуляторов и волоконно-оптических интерферометров действительно должно снизить на несколько порядков чувствительность к механическим и акустическим вибрациям, что экспериментально доказано на примере волоконно-оптических гироскопов, которые работают в очень жестких вибрационных и акустических условиях в ракетах, самолетах и морских судах военного и гражданского применения. Кроме того волоконно-оптические измерительные машины (в РФ фирма «Лапик», Саратов), содержащие три волоконных интерферометра Майкельсона для измерения пространственных координат и три волоконных интерферометров для измерения трех углов позволяет измерять пространственные параметры с точностью не менее 10 нм на расстояниях до 4 метров в производственных условиях.

Устройство работает следующим образом. Излучение одночастотного полупроводникового лазера 1 выбирают с длиной волны λ в диапазоне 750-780 нм со стабилизированным уровнем выходной оптической мощности. Получают оптическое сжатое оптическое излучения за счет управления током инжекции при стабилизации температуры лазерного кристалла. Это когерентное оптическое излучение в виде лазерного гауссовского пучка, вводят в нелинейный одноосный отрицательный кристалл 2, в котором в условиях фазового синхронизма при условии выполнения закона сохранения энергии и импульса происходит преобразовании каждого фотона с энергией hν, вследствие спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) при неколлинеарной генерации в два запутанных фотона с энергией hν/2 и соответственно оптический пучок излучается с торца нелинейного кристалла на длине волны 2λ и представляет собой соответственно два ансамбля бифотонов, обладающих поляризационной квантовой запутанностью и пространственно-разнесенных по двум направлениям. Экспериментально установлено, что оптические лазерные пучки ансамбля бифотонов, вследствие эффекта запутанности позволили создавать и соответственно мгновенно управлять двумя связанными двумерными поляризационными оптическими структурами независимо от величины их пространственного разделения и временной задержки (Paul-Antoine Moreau, Ermes Toninelli, Thomas Gregory, Reuben S. Aspden, Peter A. Morris, Miles J. Padgett. Imaging Bell-type non local behavior. Sci. Adv. 2019, 5, 1-9.).

Так как частоты и волновые вектора пары фотонов (бифотона) связаны в соответствии с законами сохранения импульса и энергии, то благодаря этому свойству, эффект спонтанного параметрического рассеяния (СПР) можно использовать в качестве источника одиночных фотонов по триггеру: срабатывание детектора фотонов в выбранном направлении и на заданной частоте гарантирует наличие фотона в сопряженных частотном диапазоне и направлении. Оба фотона можно использовать одновременно для выполнения экспериментов, если экспериментальная система оборудована электронной схемой счета совпадений. В таком случае бифотон, генерируемый в процессе СПР, может быть использован непосредственно в функциональной части экспериментальной установки без необходимости предварительного приготовления нескольких одиночных фотонов по триггеру.

Эти бифотонные пространственно - разделенные оптические пучки вводятся с одномодовый световод 4 с помощью микрообъектива 3 с числовой апертурой (NA), соответствующей возбуждению в световоде с диаметром центральной жилы (D) и числовой апертурой (NA) низшей волноводной моды (λ>λгр=π⋅D⋅NA/2.405), соответствующей NA оптического волокна. Оптическое излучение через одномодовый N разветвитель 5 вводится в квантовый регистр 6. Каждый из N волоконных каналов регистра 6 соединен с интегральным электро-оптическим модулятором 8, позволяющим производить амплитудно-фазовую модуляцию оптического излучения и которые представляют собой N поляризационных квантовых кубитов, управляемых через систему выходов АЦП с цифрового компьютера 7, осуществляющего квантовую инициализацию кубитов во времени с помощью управляющих наносекундных импульсов. В случае использования в качестве квантового процессора интерферометра Саньяка на каждый кубит квантового регистра дополнительно подается своя частота модуляции в мегагерцовой области с помощью синтезатора 16, управляемого с цифрового компьютера 7для каждого из N каналов для идентификации каждого кубита при пространственном разделении оптических пучков на выходе из интерферометра Саньяка. После интегральных модуляторов каждый из N оптических пучков проходит оптический поляризационный преобразователь 9, представляющий систему из четвертьволновой, полуволновой, и поляризационной призмы (призма Глана). Каждый преобразователь приразличных положениях четверть и полуволновых пластинок пропускает линейную горизонтальную или вертикальную поляризацию (|H, |V) или циркулярную (правую или левую) поляризацию и элементы каждого преобразователя независимо управляются с цифрового компьютера для выполнения квантовых операций типа CNOT с помощью линейного интерферометра 10. Погрешность установки волновых пластинок должна составлять порядка 1 углового градуса, что должно позволить протестировать и настроить каждый оптический канал в квантовом регистре на выполнение условий Белла и откалибровать порог срабатывания однофотонных лавинных фотодиодов при измерении параметров вектора Стокса и соответствующей матрицы Мюллера (4×4) в каждом канале в соответствие с технологией, описанной в работе (Фроловцев Д.Н., Магницкий С.А., Демин А.В. Методика измерения поляризационно-запутанных состояний бифотонов с помощью квантового томографа // Измерительная техника. 2021. №10. С. 21-27. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-10-21-27).

С каждого N волоконного канала оптическое излучение вводится в квантовый процессор, осуществляющий преобразования квантовых состояний света, составленных из ансамбля бифотонов, которые выполняются с помощью линейных-волоконно-оптических интерферометров 10. Выполнение квантовых операций происходит в многоплечевых интерферометрах, в которых различные входные пучки света интерферируют друг с другом в соответствующих частях интерферометра, представляющего собой 2N волоконных одномодовых интерферометров Маха-Цандера, в котором оптические пучки попарно интерферируют и на выходе квадратично смешиваются (детектируются) на 2N однофотонных лавинных фотодиодах 12. В каждом однофотонном лавинном фотодиоде, устанавливается порог срабатывания с помощью управляющего компьютера. Электрический сигнал фотодетекторов преобразуется спомощью время-цифрового преобразователя (ВЦП), а затем обрабатывается цифровым компьютером. Оба фотона в двух пространственно-разнесенных пучках используются одновременно для выполнения экспериментов, так как экспериментальная система оборудована электронной схемой счета совпадений и управляется через АЦП персонального компьютера, поэтому фото отклик с каждых 2N однофотонных детекторов поступает в АЦП персонального компьютера как результат измерения.

Для функционирования такого оптического квантового компьютера, как показали экспериментальные исследования в прототипе необходимо поддерживать точность оптических путей в интерферометрах порядка от λ/10 до λ/100 (приблизительно100-10 нм), поэтому в каждом канале используется система пьезоэлектрической фазовой автоподстройки 14, управляемой с цифрового компьютера.

В предлагаемом варианте интерферометра на основе эффекта Саньяка, это жесткое требование одинаковости оптических путей в N интерферометрах автоматически исключается, при оптической длине волокна меньшей длины когерентности используемого лазера. Так как кольцевой интерферометр 10 один, то требование на одинаковость оптических длин выходных 2N волокон для детектирования бифотонов с помощью 2N однофотонных лавинных фотодиодов 12 существенно ниже, чем для 2N волоконных интерферометров Маха-Цандера. Для такого типа интерферометра Саньяка необходимо в квантовом регистре для каждого кубита ввести свою частоту модуляции оптического пучка с помощью синтезатора 16. С помощью акусто-оптического пространственного дефлектора (11) с выхода интерферометра Саньяка оптический пучок пространственно отклонится на N пучков, каждый на свой угол, определяемый частотой модуляции синтезатора 16, при модуляции излучения в каждом канале квантового регистра. С помощью системы зеркал 15 оптические пучки попарно оптически смешиваются на 2N однофотонных фотодетекторах. При этом одинаковость оптических путей в интерферометре Саньяка для всех оптических кубитов позволит исключить сложную систему фазовых волоконных пьезокорректоров 14.

Группа изобретений относится к конструкции волоконно-оптического квантового компьютера. Технический результат заключается в уменьшении уровня поляризационных амплитудно-частотных шумов в оптическом квантовом процессоре. В одном из вариантов оптический квантовый компьютер включает в себя лазер, генерирующий в ближней инфракрасной области, нелинейный кристалл, выполненный с возможностью формирования на выходе оптического пучка бифотонов, обладающих квантовой запутанностью, установленный на пути пучка бифотонов первый канал, включающий квантовый регистр, состоящий из N квантовых кубитов, включающий оптический разветвитель на N оптических каналов, N электрооптических модуляторов, соединенных с цифровым компьютером, квантовый процессор из 2N оптических линейных многолучевых интерферометров Маха-Цандера, вход которого оптически связан с выходами N электрооптических модуляторов, оптические выходы интерферометров соединены с однофотонными фотодетекторами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, и при этом дополнительно содержит второй идентичный первому канал, в качестве лазера выбирают инжекционный одночастотный полупроводниковый лазер с системой стабилизации выходной мощности, в качестве нелинейного кристалла выбирают анизотропный отрицательный нелинейный кристалл, съюстированный в неколиннеарной оптической схеме с возможностью формирования из пучка бифотонов двух пространственно разнесенных оптических пучков бифотонов, два микрообъектива для ввода оптических пучков бифотонов в два идентичных оптических канала, выполненных на одномодовых волокнах, разветвитель выполнен волоконным и соединен с электроопическими модуляторами, представляющими собой интегральные амплитудно-фазовые электрооптические модуляторы, на выходе которых установлена оптическая система из четверть волновой и полуволновой пластин и поляризатора в каждом канале квантового регистра, а каждый из двух идентичных оптических квантовых процессоров состоит из одномодовых изотропных оптических волокон, однофотонные фотодетекторы содержат время-цифровые преобразователи, подключенные к цифровому компьютеру. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптический квантовый компьютер, включающий лазер, генерирующий в ближней инфракрасной области, нелинейный кристалл, выполненный с возможностью формирования на выходе оптического пучка бифотонов, обладающих квантовой запутанностью, установленный на пути пучка бифотонов первый канал, включающий квантовый регистр, состоящий из N квантовых кубитов, включающий оптический разветвитель на N оптических каналов, N электрооптических модуляторов, соединенных с цифровым компьютером, квантовый процессор из 2N оптических линейных многолучевых интерферометров Маха-Цандера, вход которого оптически связан с выходами N электрооптических модуляторов, оптические выходы интерферометров соединены с однофотонными фотодетекторами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй идентичный первому канал, в качестве лазера выбирают инжекционный одночастотный полупроводниковый лазер с системой стабилизации выходной мощности, в качестве нелинейного кристалла выбирают анизотропный отрицательный нелинейный кристалл, съюстированный в неколиннеарной оптической схеме с возможностью формирования из пучка бифотонов двух пространственно разнесенных оптических пучков бифотонов, два микрообъектива для ввода оптических пучков бифотонов в два идентичных оптических канала, выполненных на одномодовых волокнах, разветвитель выполнен волоконным и соединен с электроопическими модуляторами, представляющими собой интегральные амплитудно-фазовые электрооптические модуляторы, на выходе которых установлена оптическая система из четверть волновой и полуволновой пластин и поляризатора в каждом канале квантового регистра, а каждый из двух идентичных оптических квантовых процессоров состоит из одномодовых изотропных оптических волокон, однофотонные фотодетекторы содержат время-цифровые преобразователи, подключенные к цифровому компьютеру.

2. Оптический квантовый компьютер, включающий лазер, генерирующий в ближней инфракрасной области, нелинейный кристалл, выполненный с возможностью формирования на выходе оптического пучка бифотонов, обладающих квантовой запутанностью, первый канал, включающий квантовый процессор, квантовый регистр, состоящий из N квантовых кубитов, включающий оптический разветвитель на N оптических каналов, N электрооптических модуляторов, соединенных с цифровым компьютером, выходы которых оптически связаны со входом квантового процессора, включающего интерферометр, оптические выходы интерферометра соединены с однофотонными фотодетекторами, выходы которых подключены к управляющему цифровому компьютеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй идентичный первому канал, при этом оба квантовых процессора представляют собой одномодовые волоконные интерферометры Саньяка одинаковой длины, на выходе каждого регистра установлен волоконно-оптический смеситель N каналов на один канал, на выходе каждого интерферометра Саньяка установлен акусто-оптический пространственный модулятор на N пучков однофотонными детекторами, содержащими время-цифровые преобразователи, подключенные к цифровому компьютеру, при этом в качестве лазера выбирают инжекционный одночастотный полупроводниковый лазер с системой стабилизации выходной мощности, в качестве нелинейного кристалла выбран анизотропный отрицательный нелинейный кристалл, съюстированный в неколлинеарной оптической схеме с возможностью формирования из пучка бифотонов двух пространственно разнесенных оптических пучков бифотонов, два микрообъектива для ввода оптических пучков бифотонов в два идентичных волоконно-оптических канала на одномодовых волокнах, разветвитель выполнен волоконным и соединен с электрооптическими модуляторами, представляющими собой интегральные амплитудно-фазовые электрооптические модуляторы, на выходе которых установлена оптическая система из четверть волновой и полуволновой пластин и поляризатора в каждом канале квантового регистра.