ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ Российский патент 2025 года по МПК G02F1/133 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к разработке элементной базы квантовых компьютеров путем генерации бифотонов (запутанных по поляризации фотонов) из падающего на жидкокристаллический электрооптический элемент светового излучения, посредством чего формируется кубит - элемент информации в квантовых вычислениях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Разработка элементов квантовых компьютеров для выполнения квантовых вычислений, в которых используются явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. В отличие от обычного электронного компьютера в квантовом компьютере единицей информации является кубит, принимающий значения одновременно и нуля и единицы.

В настоящее время большинство вариантов физической реализации кубитов и квантовых вычислений основано на использовании методов и устройств твердотельной электроники. Физическими носителями для реализации квантовых вычислений являются ионы, сверхпроводники, ядерные спины и другие виды. Для этого требуется использование низких (азотных и гелиевых) температур, высокая стабилизация электронных сигналов, отсутствие примесей в кристаллических материалах.

Одним из перспективных направлений выполнения квантовых вычислений является использование кубитов на основе пары фотонов (бифотона), имеющих разные поляризации. По большинству требованиям ДиВинченцо, предъявляемым к кубитам квантовых компьютеров, характеристики кубитов на основе бифотонов существенно превосходят параметры кубитов на основе других типов.

Поэтому актуальной задачей является создание надежных, экономичных, простых по технологии элементов для выполнения квантовых вычислений с кубитами на основе пары фотонов, имеющих разные поляризации.

Известны решения, в которых используются нелинейно оптические кристаллы различного состава: бета-барий борат Ва(BO₂)₂ (в англоязычной литературе Beta Barium Borate (ВВО)), периодически поляризованный титанил фосфат калия KTiOPO₄ (в англоязычной литературе Periodically Poled Potassium Titanyl Phosphate (РРКТР)), триборат лития LiB₃O_{5 (в англоязычной литературе lithium triborate (LBO)) и другие материалы. При падении пучка света из ультрафиолетового (УФ) диапазона пучок расщепляется на два пучка с ортогональными поляризациями. При этом из-за нелинейно-оптического эффекта в каждом пучке происходит удвоение длины волны (конверсия УФ-диапазона в красный). Примеры экспериментальных приборов и установок с бифотонными кубитами, в которых используются описанные эффекты, приведены в [1-6]. В [2] приведены показатели преломления ВВО, равные no=1.6603 на длине волны 810 нм для обыкновенного луча и ne=1.5671 на длине волны 405 нм для необыкновенного луча. Угол расходимости лучей внутри кристалла составляет θC=0.03154°.}

Наиболее близким к заявляемому решению является оптический элемент для генерации бифотонов (запутанных по поляризации фотонов), состоящий из источника светового пучка, падающего на кристалл, выполненный из нелинейно-оптического материала, в котором под действием интенсивности светового излучения источника формируется двулучепреломление (анизотропия показателей преломления), при этом в кристалле пучок разделяется на два пространственно разделенных линейно поляризованных световых пучка с взаимно ортогональными поляризациями (необыкновенный и обыкновенный пучки), падающих на один или два поляризатора - анализатора поляризации световых пучков, после прохождения анализаторов поляризации световые пучки подаются на один или два фоточувствительных элемента, в которых формируются электронные сигналы, подаваемые на классический компьютер, в котором формируется пара сигналов, образующих квантовые состояния (кубиты), используемые в квантовых вычислениях [7]. Недостатками такого элемента являются высокие требования к изготовлению совершенного образца нелинейно-оптического кристалла, к защите кристалла от параметров окружающей среды, вследствие чувствительности оптических и механических характеристик кристалла к влажности и температуре, необходимость использования высокоэнергетического ультрафиолетового облучения для накачки кристалла, что приводит к необходимости использования средств защиты для пользователя, использование высокого напряжения при работе кристалла в электрооптическом режиме, что ограничивает применение элемента в квантовых компьютерах.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка нового оптического элемента для генерации бифотонов на основе оптически анизотропного материала, простого в изготовлении, не требующего специальной защиты от параметров окружающей среды, использующего излучение в широком диапазоне спектра для формирования пары ортогонально поляризованных лучей, управляемого электронными сигналами малой амплитуды и/или мощности.

Задача решается за счет того, что оптический элемент для генерации запутанных по поляризации фотонов, состоящий из источника светового пучка, падающего на кристалл, выполненный из материала, в котором при прохождении через кристалл светового излучения источника формируется анизотропия показателей преломления, при этом в кристалле пучок разделяется на два пространственно разделенных линейно поляризованных световых пучка с взаимно ортогональными поляризациями, падающих на один или два поляризатора - анализатора поляризации световых пучков, после прохождения анализаторов поляризации световые пучки подаются на один или два фоточувствительных элемента, в которых формируются электронные сигналы, подаваемые на классический компьютер, в котором формируется пара сигналов, образующих квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, отличающийся тем, что кристалл выполнен в виде слоя ориентированного термотропного жидкого кристалла, обладающего анизотропией показателей преломления.

Указанный элемент может быть реализован с использованием широкого ассортимента промышленно доступных жидкокристаллических материалов и применением известных хорошо разработанных технологий различных жидкокристаллических устройств - средств отображения и обработки информации (дисплеев, пространственных модуляторов света, оптических затворов и др.). В этих устройствах применяются термотропные жидкие кристаллы, обладающие жидкокристаллической структурой, обеспечивающих анизотропные свойства в определенном интервале температур. Элемент обладает электрооптическими и нелинейно-оптическими свойствами в широком диапазоне длин волн и значений интенсивности света, управляется электронными сигналами невысокой амплитуды (0,1-100 В). Он обладает достаточной оптической и электрической прочностью. Будучи заключен между двумя прозрачными подложками из стекла или полимера и загерметизирован, слой жидкого кристалла не изменяется под действием влажности и температуры. Величина двулучепреломления жидкого кристалла обеспечивает расхождение световых пучков с взаимно ортогональными поляризациями на угол существенно больше, чем при использовании твердого кристалла ВВО [2] (до 6°).

Оптический элемент надежно генерирует бифотон (запутанная по поляризации пара фотонов), обеспечивающий генерацию кубитов с множеством квантовых состояний, который может использоваться для любых квантовых вычислений в квантовых компьютерах, удовлетворяющих критериям ДиВинченцо (масштабируемая физическая система; инициализация состояния кубитов; большое время декогеренции; универсальный набор квантовых вентилей; способность кубит-специфичного измерения).

Предложенное решение отличается от вариантов использования жидкокристаллических элементов в схемах с элементами на основе кристалла с ВВО, в которых поляризация бифотона управлялась с помощью полуволновых голографических пластинок (HWP) и жидкокристаллических фазовых пластинок (LCWP) [5,6]. Внося случайную фазу посредством изменения ориентации ЖК в пластинках, можно было получить разные уровни запутанности бифотона, в том числе полностью смешанное состояние.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на конкретных примерах реализации изобретения со ссылками на сопровождающую фигуру.

На фиг. 1 представлен оптический ЖК элемент, реализующий кубит квантового компьютера.

Оптический жидкокристаллический элемент содержит следующие части:

1. Источник световых импульсов (ИСИ), например, в виде лазера - оптического квантового генератора фотонов, как правило, импульсного лазера.

2. Оптический жидкокристаллический элемент.

3. Световой пучок с вертикальной поляризацией.

4. Световой пучок с горизонтальной поляризацией.

5, 6. Анализаторы поляризации фотонов.

7. Фоточувствительные элементы для вывода информации.

8. Классический компьютер для анализа вывода информации от фоточувствительных элементов.

РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 представлен оптический ЖК элемент, реализующий кубит квантового компьютера.

Световые импульсы от источника световых импульсов (ИСИ) 1 после прохождения оптического пути от ИСИ падают на оптический жидкокристаллический элемент 2. Световой импульс является потоком фотонов с одинаковой поляризацией, причем каждый импульс имеет случайную поляризацию. В жидкокристаллическом элементе при прохождении фотонов светового импульса пучок разделяется на два пространственно разделенных линейно поляризованных световых пучка 3 и 4 с взаимно ортогональными поляризации (необыкновенный и обыкновенный пучки), что представляет собой генерацию запутанного фотона (би-фотона) в силу нелинейной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и двулучепреломления жидкого кристалла. Результаты состояний поляризации би-фотона с полученного квантового элемента (кубита), исполненного в виде жидкокристаллического элемента, после прохождения анализаторов поляризации фотонов 5 и 6 подаются на фоточувствительные элементы 7 для вывода информации, а с нее - на классический компьютер 8.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предложенный в заявляемом изобретении оптический элемент может быть использован в качестве функционального квантового элемента, реализующего квантовые состояния (кубиты) из бифотонов (запутанных по поляризации фотонов), используемого в квантовых вычислениях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lee A. Rozema, Chao Wang, Dylan H. Mahler, Alex Hayat, Aephraim M. Steinberg, John E. Sipe, and Marco Liscidini "Characterizing an entangled-photon source with classical detectors and measurements," Optica 2, 430-433 (2015).

2. W. Rojpattanakul, T. Bongkodmalee and K. Boonkham Simple experimental setup for producing polarization-entangled photons 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1380 012023.

3. M. Mclaren, J. Romero, M.J. Padgett, F.S. Roux, A. Forbes Two-photon optics of Bessel-Gaussian modes. Physical review A, Atomic, molecular, and optical physics 88:033818 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevA.88.033818.

4. Chen Y., Hong L. and Chen L. (2022), Quantum interferometric metrology with entangled photons. Front. Phys. 10:892519. doi: 10.3389/fphy.2022.892519.

5. R.B.A. Adamson and A.M. Steinberg Improving quantum state estimation with mutually unbiased bases. Phys. Rev. Lett., 105:030406, 2010.

6. A.V. Kondakova, T.F. Kamalov, Simulation of real entangled systems based on the model of a pair of entangled solitons//Liquid Crystals, Taylor & Francis (United Kingdom), том 49, №11, 2022. https://doi.org/10.1080/02678292.2022.2113833.

7. S. Gasparoni, J.W. Pan, P. Walther, T. Rudolph and A. Zeilinger Realization of a Photonic Controlled-NOT Gate Sufficient for Quantum Computation. Phys. Rev. Lett., 93 020504, 2004. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.020504.

Изобретение относится к разработке элементной базы квантовых компьютеров. Оптический элемент для генерации запутанных по поляризации фотонов состоит из источника светового пучка, падающего на кристалл, выполненный из материала, в котором при прохождении через кристалл светового излучения источника формируется анизотропия показателей преломления. В кристалле пучок разделяется на два пространственно разделенных линейно поляризованных световых пучка с взаимно ортогональными поляризациями, падающих на один или два поляризатора - анализатора поляризации световых пучков, после прохождения анализаторов поляризации световые пучки подаются на один или два фоточувствительных элемента, в которых формируются электронные сигналы, подаваемые на классический компьютер, в котором формируется пара сигналов, образующих квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях. При этом кристалл выполнен в виде слоя ориентированного термотропного жидкого кристалла, обладающего анизотропией показателей преломления. Изобретение позволяет упростить конструкцию. 1 ил.

Оптический элемент для генерации запутанных по поляризации фотонов, состоящий из источника светового пучка, падающего на кристалл, выполненный из материала, в котором при прохождении через кристалл светового излучения источника формируется анизотропия показателей преломления, при этом в кристалле пучок разделяется на два пространственно разделенных линейно поляризованных световых пучка с взаимно ортогональными поляризациями, падающих на один или два поляризатора - анализатора поляризации световых пучков, после прохождения анализаторов поляризации световые пучки подаются на один или два фоточувствительных элемента, в которых формируются электронные сигналы, подаваемые на классический компьютер, в котором формируется пара сигналов, образующих квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, отличающийся тем, что кристалл выполнен в виде слоя ориентированного термотропного жидкого кристалла, обладающего анизотропией показателей преломления.