Riadený fotónový spínač s pomocou združených kvantových bodov vedecké správy

Riadený fotónový spínač s pomocou združených kvantových bodov vedecké správy

Anonim

predmety

  • Fotonické zariadenia
  • Kvantová optika

abstraktné

Kvantový prepínač je primitívnym prvkom v kvantovej sieťovej komunikácii. Na rozdiel od predchádzajúcich schém prepínania na jeden stupeň voľnosti (DOF) kvantových systémov uvažujeme riadené prepínače fotónového systému s dvoma DOF. Tieto riadené fotónové spínače sú skonštruované skúmaním pravidiel optickej selekcie odvodených z spinov kvantovej bodky v jednostranných optických mikrodutinách. Niekoľko hradlov s dvojitým riadením-NOT na rôznych spojovacích systémoch je výrazne zjednodušených pomocným DOF riadiaceho fotónu. Fotónové spínače ukazujú, že dva DOF fotónov môžu byť nezávisle prenášané v kvantových sieťach. Tento výsledok znižuje kvantové zdroje pre kvantovú sieťovú komunikáciu.

úvod

Fotonické schémy sú v kvantovom spracovaní informácií veľmi dôležité z dôvodu ich nadradenosti rýchlosti 1 . Nie je však ľahké realizovať deterministické celooptické kvantové brány založené na jednotlivých fotónoch. Ťažkosti dosiahnuť interakcie fotón-fotón ako hlavnú výzvu existujú aj v experimentálnych kvantových sieťach, ktoré sú spojené hmotnými kvantovými uzlami prepojenými fotonickými kanálmi 2, 3, 4 . Jedným primitívnym prvkom v týchto architektúrach je efektívne prepínanie a smerovanie fotónov 5, 6 . Fotonické prepínanie môže byť ovládané opticky indukovanými zmenami indexu lomu a rýchlosť prepínania je obmedzená generáciou voľného nosiča 7, 8 . Iné prístupy využívajú kremíkovo-organické hybridné vlnovody na veľmi rýchle spracovanie signálu 9 alebo pomalé svetlo vo viazaných vlnovodoch fotonického kryštálu na all-optické prepínanie 10 .

Nedávno silné kvantové väzby svetla a hmoty vo fotonických nanoštruktúrach môžu produkovať účinné interakcie medzi fotónmi, ktoré viedli k niektorým pozoruhodným javom, ako je fotónová blokáda 11, 12, optické tranzistory 13, 14 a fotonické kvantové brány 15 . Starostlivým prispôsobením hustoty miestneho optického režimu môže byť koherentné a nekoherentné neklasické svetlo distribuované na čipe do kvantového fotonického obvodu 16 . Preto sa v posledných desaťročiach vynaložilo značné úsilie na interakciu fotón-fotón pomocou mediácie materiálových systémov. Priekopníckym úsilím môže byť silné spojenie medzi jednotlivými atómami a optickými mikrorezonátormi pomocou kvantovej elektrodynamiky dutiny (cQED) 17, 18, 19 . Na základe schémy 20 bolo vykonaných niekoľko prác na dosiahnutie nedeštruktívneho merania optického fotónu 21, 22, 23, prepínania jednej fotónovej fázy 24 a realizácie kvantového hradla medzi lietajúcimi fotónmi a jedným atómom 25, všetky z nich môžu byť aplikované na prepínanie fotónov 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 .

V porovnaní s týmito výsledkami s použitím jedného stupňa voľnosti (DOF) 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 30, 31, 32, 33 sa veľké množstvo výskumov zameralo na generovanie zapletenia v jednom stupni voľnosti (DOF), ako je kvadratúra 34, polarizácia 35, 36 alebo premenné priestorového poľa 37, 38 . S týmito stavmi sú možné dokonca generácie multimódových zapletených lúčov, čo môže potenciálne zjednodušiť kvantové komunikačné systémy, najmä ak je v jednom lúči 39 obsiahnutých viac režimov. Manipulácia s kvantovými mechanickými vlastnosťami viac ako jedného DOF už bola demonštrovaná ako hybridné a hyperrozpletenie 40, 41, 42, 43, 44, 45 bolo dôkladne preskúmané. Aby sa urobil ďalší krok smerom k škálovateľným kvantovým sieťam, sú potrebné schémy prepínania fonónov, pretože viacnásobné stupne voľnosti sú kompatibilné s fotonickými obvodmi súčasne 46, 47, 48 .

V tomto článku sa zaoberáme schémami fononického prepínania dvoch DOF fotónových stavov pomocou optického kruhového dvojlomu jednostranného systému QD-dutiny. Väčšina predchádzajúcich výsledkov 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 sa týka prepínania jedného DOF kvantových systémov, ako je polarizačný DOF fotónových systémov. Vo všeobecnosti jeden DOF (DOF v priestorovom režime) môže pomáhať pri kvantových logických bránach vykonávaných na druhom DOF (polarizačný DOF) 49, 50, 51, 52, 53 . Skúmame možnosť paralelného kvantového prenosu dvoch DOF fotónových systémov. Všetky schémy prepínania môžu byť riadené točením fotónov alebo stacionárnymi elektrónmi v kvantových bodkách 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 . Na zjednodušenie implementácií sa deterministické hyper-kontrolované-NOT brány a pomocné DOF riadiaceho fotónu používajú na uskutočňovanie deterministických prepínačov priestorového režimu a polarizačných DOF dvojfotónového systému. Tieto výsledky sú mimo prepínacích brán na rovnakom DOF dvojfotónového stavu 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 a realizácie brány Toffoli 53 . Primitívne schémy sú tiež prispôsobené na prepínanie viacerých portov so zlepšeným kvantovým smerovaním. Naše teoretické výsledky ukazujú, že dva DOF fotónových systémov sa môžu použiť ako nezávislé qubity v kvantovej sieťovej komunikácii.

výsledok

Riadený kvantový spínač

Primitívnym blokom navrhovaného rekonfigurovateľného kvantového prepínača je riadené 2 x 2 kvantové swapovacie hradlo 6, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 pre tri stavy abit, a , b a c znázornené na obrázku 1. (b). Vstupné qubity aab môžu byť zamenené, ak je qubit c

Image

, Inak sú a a b nezmenené. V tomto článku sú uvedené hyperfotóny aab s polarizáciou a DOF v priestorovom režime. Našou motiváciou je manipulovať s nimi súčasne. Tieto DOF sa teda môžu použiť ako nezávislé qubity v kvantovom spracovaní informácií. Na rozdiel od podrobného rozkladu brány Toffoli so šiestimi bránami CNOT 53, môže byť značne zjednodušená s jedným pomocným DOF kontrolného fotónu a pomocnými otáčaniami. Pretože každý DOF fotónu môže hrať pri kvantovom prepínaní rôzne úlohy, zvažujú sa štyri rôzne kvantové prepínania, tj dva obvody na prepínanie rovnakého DOF dvoch fotónov, zatiaľ čo dva obvody na prepínanie rôznych DOF dvoch fotónov 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 . Žiadna z nich nevyžaduje výmenu fotónových DOF počas prenosu. Z týchto primitívnych kvantových prepínaní je možné pre fotónové systémy ľahko skonštruovať všeobecné viacportové kvantové prepínania. To znamená, že každý DOF fotónových systémov môže byť v kvantovej sieťovej komunikácii vnímaný ako nezávislý qubit.

Image

Používajú sa dve brány CNOT a jedna brána Toffoli. aab sú vstupné qubity jedného prepínača, zatiaľ čo c je kontrolný qubit. Spínacia operácia je realizovaná, ak je c v stave

Image
,

Obrázok v plnej veľkosti

Kvantový bodový systém

Na dokončenie riadených kvantových prepínačov hyper fotónov sa pre naše schémy 48, 49, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 používajú nasledujúce optické vlastnosti a systém kvantovej bodky (QD). Systém QD-dutiny je skonštruovaný z jednotlivo nabitého QD [zostaveného samostatne (Ga) ako QD alebo rozhrania GaAs QD] umiestneného v strede jednostrannej optickej rezonančnej dutiny, ako je znázornené na obr. nadmerný stav elektrónového odstreďovania

Image

Image
, negatívne nabité exciton
Image
Image
s dvoma antiparalelnými elektrónovými točeniami 60 je rezonančne absorbovaná
Image
Image
, Z Heisenbergových rovníc 60 operátora poľa dutiny a operátora dipólu má QD rád splitter lúča s koeficientom odrazu

Image

a ) Nabitá QD vo vnútri mikropility na jednej strane mikropilámy, ktorá interaguje s kruhovo polarizovanými fotónmi. â in a out out sú operátori vstupného a výstupného poľa vlnovodu, v danom poradí. b ) pravidlá optického prechodu závislé od dipólu, založené na zásade vylúčenia Pauliho.

Image
a
Image
predstavujú ľavý a pravý kruhovo polarizovaný fotón.
Image
a
Image
predstavujú otočenie prebytku elektrónu.
Image
a
Image
popisujú stavy rotácie ťažkých dier
Image
a
Image
resp.

Obrázok v plnej veľkosti

Image

ak dipól zostane najviac v pôvodnom stave 49, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 [znaky K a κ by sa mali zmeniť 49, tj

Image
, Tu,
Image
, Δ ω c = ω c - ω a Δ ω e = ω e - ω . ω c , ω e a ω sú frekvencie dutinového režimu, svetla vstupnej sondy a dipólového prechodu. g je pevnosť spojenia medzi dutinou a dipólom. ς , κ a κ s sú miery rozpadu dipólu, poľa dutiny a režimu bočného úniku dutiny. Koeficient odrazu v rovnici (1) sa stáva

Image

ak je QD odpojený od dutiny ( g = 0) 49, 61 . Úpravou koeficientov ω a coc sa teda môžu uspokojiť koeficienty odrazu

Image
a
Image
keď je únik zo strany dutiny zanedbateľný. Ak je v stave jeden fotón
Image
vstupuje do jednostranného systému QD so stavom odstreďovania
Image
, kĺbový systém fotónu a spin po odrazení

Image

kde

Image
a
Image
, Úpravou ω a ω c možno získať θ 0 = π a θ h = 0. Nasleduje pravidlo optického výberu 49, 54

Image

Na základe týchto pravidiel optického výberu sa môžu nasledujúce brány CNOT 49 implementovať na dva fotóny xay s dvoma DOF.

Image

kde

Image
je základom polarizácie DOF
Image
a
Image
sú bázy DOF priestorového režimu fotónov x a y .

Riadený fotónový spínač

Použitím brán CNOT v rovnici (5) [na dvoch DOF dvoch fotónov 49 ] a spínacom obvode na obrázku 1 možno ovládať spínač dvoch fotónov, ako je znázornené na obrázku 3. Predpokladajme, že fotóny a ab) v štátoch

Image

a ) Riadený spínač dvoch polarizačných stavov. Hj predstavuje dosku s polovičnými vlnami na vykonávanie Hadamardovej operácie na polarizačnom DOF fotónu. cBS j predstavuje 50% 50 rozdeľovačov lúčov na vykonávanie Hadamardovej operácie na priestorovom DOF fotónu. cPS j predstavujú rozbočovače polarizovaného lúča na prenos

Image
a premýšľať
Image
, Brány CNOT C PP ( a , b ) a C PS ( b , c ) sú definované v rovnici (5). Tento obvod implementuje riadené striedanie polarizačných DOF fotónov a a b . Priestorový režim fotónu c je pomocný kvit. b ) Riadené prepínanie dvoch DOF v priestorovom režime. Brána CNOT C SS ( x , y ) je definovaná v rovnici (5). Xi predstavujú vlnové platne na uskutočnenie Pauliho prevrátenia X na polarizačnom DOF fotónu. W predstavuje hadamardskú bránu na rotácii. Tento obvod implementuje riadené striedanie priestorových režimov fotónov a a b . Hrubá čiara označuje riadiaci fotón. e i sú pomocné otočenie v stave
Image
,

Obrázok v plnej veľkosti

Image

Vstupné stavy na obrázku 3 (a) sú polarizačné qubity dvoch fotónov aab, zatiaľ čo DOF priestorového režimu dvoch fotónov aab sú uvedené na obrázku 3 (b). Aby sa zjednodušila implementácia dvojito riadenej NOT brány, riadiace fotóny c a d sú tiež fotóny v stave

Image
a
Image
pre všeobecnosť. Tu,
Image
a
Image
označujú pravdepodobnosť prepnutia.

Z obr. 3 (a) sa po CNOT bráne C PP ( a , b ) na polarizačnom DOF dvoch fotónov a a b stáva kĺbový systém fotónov a a b

Image

Z obrázku 1, ak je polarizačný DOF fotónu c v stave

Image
, brána riadená CNOT (brána Toffoli) sa nespúšťa. Ak je polarizačný DOF fotónu c v stave
Image
, požiare brány Toffoli. Aby sa zjednodušila Toffoliho brána na polarizačnom DOF troch fotónov, pomocný priestorový režim DOF fotónu c a pomocný spin e 1 v stave
Image
sú použité. Po CNOT bráne C PS ( b , c ) v rovnici (5) [o polarizačnom DOF fotónu b a priestorovom režime DOF fotónu c ] sa zmení spojovací systém troch fotónov a , b a c. do

Image

A potom nechajte fotón c z priestorového režimu c2 prechádzať cez cPS 1, dutinu Cy 1 [s e 1 ] a cPS 2 z dráhy ①. Štát

Image
a odstredenie e 1 sa zmení na

Image

ktoré sa môžu transformovať na

Image

vykonaním Hadamardovej operácie W na odstreďovaní e 1 . Teraz fotón a z priestorového režimu a 1 prechádza cez H1 , cPS3 , dutinu Cy1 , cPS 4 a H3 z dráhy ②, zatiaľ čo fotón a z priestorového priestoru a2 prechádza cez H3 , cPS 5, dutinu Cy1 , cPS 6 a H4 z dráhy ③. Spoločný systém

Image
sa mení na

Image

Okrem toho zmeria rotáciu e 1 na základe

Image
a Pauliho fázové preklopenie Z sa vykoná na fotóne c z priestorového režimu c2 pre výsledok merania
Image
, teda
Image
zbalí sa do

Image

Ďalej, po vykonaní CNOT hradla C PP ( a , b ) na polarizačnom DOF fotónov aab ,

Image
zmeny na

Image

Nakoniec zmeria fotón c na základe

Image
realizované s cBS 2, cPS 7, cPS 8 a štyrmi jednoduchými fotónovými detektormi. Ak je fotón c detegovaný pri
Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
, potom
Image
zbalí sa do

Image

kde sa uskutoční jednofázové preklopenie Z na polarizačnom DOF fotónu a a b pre

Image
, To znamená, že fotóny a a b neboli prepnuté, tj nie je vystrelená brána Toffoli. Inak je fotón c detegovaný pri
Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
a
Image
zbalí sa do

Image

kde sa uskutoční jednofázové preklopenie Z na polarizačnom DOF fotónu a a fotónu b pre

Image
, Polarizačná DOF fotónov aab bola zmenená, tj je spustená Toffoliho brána. riadený kvantový spínač na polarizačnom DOF dvoch fotónov bol realizovaný až po špecifický predpoklad kontrolného fotónu c .

Podobne obr. 3 (b) predstavuje riadený kvantový prepínač DOF priestorového režimu dvoch fotónov a a b . Brána CNOT C SS ( a , b ) v rovnici (5) [v priestorovom režime DOF dvoch fotónov a a b 49 ] sa používa na zmenu fotónov a a b na

Image

Ak je polarizačný DOF riadiaceho fotónu d

Image
, požiare brány Toffoli. Za účelom zjednodušenia Toffoliho brány na polarizačnom DOF jedného fotónu a priestorového DOF dvoch fotónov, pomocný priestorový režim DOF fotónu d a pomocná rotácia e2 v stave
Image
sú použité. Podrobne sa na fotónoch b a d vykonáva CNOT hradlo C SS ( b , d ), aby sa získalo

Image

Nechajte fotón d z priestorového režimu d2 prechádzať cez cPS 1, dutinu Cy 2 [s e 2 ] a cPS 2 z dráhy ①.

Image
a odstredenie e2 sa zmení na

Image

po Hadamardovej operácii W vykonanej na odstreďovaní e 2 . Teraz sa cBS 1 používa na uskutočnenie Hadamardovej operácie na DOF priestorového režimu fotónu a . A potom fotón a z priestorového režimu a 2 prechádza cez cPS 3, kde odrážaná časť prechádza cez dutinu Cy2 z dráhy ②, zatiaľ čo prenášaná časť prechádza cez X1 , dutinu Cy2 a X2 . z cesty ③ sa všetky zlúčili do jedného fotónu z cPS 4 . teda

Image
stáva

Image

po výstupnom fotóne prechádzajúcom cez cBS 2 . Odstredenie e2 je oddelené meraním pod základňou

Image
,
Image
zbalí sa do

Image

kde sa Pauliho fázové preklopenie Z vykonáva na fotóne d z priestorového režimu d2 pre výsledok merania

Image
, Okrem toho sa môže brána CNOT C SS ( a , b ) [na DOF priestorového režimu fotónov a a b ] zmeniť
Image
do

Image

Nakoniec zmerajte kontrolný fotón d pod základňou

Image
realizované ako M PD na obrázku 3 (a). Ak je fotón d detegovaný pri
Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
,
Image
zbalí sa do

Image

kde fázová operácia - I sa vykonáva na polarizačnom DOF fotónu a z priestorového režimu a 2 a - I sa vykonáva na polarizačnej DOF fotónu b z priestorového režimu b2 pre

Image
, Ukazuje, že fotóny a a b neboli prepnuté, tj nie je spustená Toffoliho brána. Ak je fotón d detegovaný pri
Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
,
Image
môže spadnúť do

Image

s podobnými operáciami vymáhania pre

Image
, Tým sa zmenil priestorový režim DOF fotónov aab , tj vystrelil sa Toffoliho brána. Preto bol riadený kvantový prepínač DOF priestorového režimu dvoch fotónov realizovaný až do všeobecného predpokladu riadiaceho fotónu d .

Riadený krížový prepínač fotónov

Odvodené z obvodu na obrázku 3 môžu byť rôzne DOF fotónov prepínané pod kontrolou jedného fotónu, znázorneného na obrázku 4. Všetky vstupné stavy na obrázku 4 sú rôzne DOF dvoch fotónov a a b . Počiatočné stavy štyroch fotónov a , b , cad sú rovnaké ako tie, ktoré sú definované na obr.

Image

a ) Riadený DOF prepínač s riadeným polarizačno-priestorovým charakterom. Tento obvod implementuje riadené striedanie polarizačného DOF hyper fotónu a a DOF priestorového režimu hyper fotónu b . Brána CNOT C SP ( x , y ) je definovaná v rovnici (5) [v priestorovom režime DOF fotónu x a polarizačnom DOF fotónu y ]. Subobvod SI je definovaný na obrázku 3 (a). M PD označuje meranie fotónu c definovaného na obrázku 3. ( b ) Riadený DOF prepínač priestorovej polarizácie. Tento obvod implementuje riadené striedanie priestorového DOF fotónu a a polarizačného DOF fotónu b . Subobvod S2 je definovaný na obrázku 3 (b).

Obrázok v plnej veľkosti

Z obrázka 4 (a), po bráne CNOT C PS ( a , b ) na polarizačnom DOF fotónu a a priestorového režimu DOF b [znázorneného v rovnici (5)], fotóny a a b sa menia na

Image

Teraz, ak je polarizačný DOF fotónu c

Image
, brána Toffoli sa nespúšťa, kým sa spúšťa brána Toffoli
Image
, Podobne ako pri kvantovom prepínači na obrázku 3 (a), pomocný priestorový režim DOF riadiaceho fotónu c a pomocný spin e 1 v stave
Image
sa používajú na zjednodušenie hybridnej brány Toffoli na dvoch polarizačných qubite a jednom priestorovom qubit. Podrobne sa hradlo CNOT C SS ( b , c ) v DOF priestorového režimu dvoch fotónov bac [znázornené v rovnici (5)] používa na zmenu troch fotónov a , b a c na

Image

Podobne ako na obrázku 3 (a), použitím pomocného odstredenia e 1 v stave

Image
Z rovníc (8, 9, 10, 11, 12) realizoval obvod S1 riadenú bránu

Image

na fotóne c a polarizačnom DOF fotónu a . Preto po tomto obvode

Image
sa mení na

Image

Navyše, použitím hradla CNOT C PS ( a , b ) na polarizačnom DOF fotónu a a priestorového režimu DOF fotónu b ,

Image
zmeny na

Image

Nakoniec zmerajte kontrolný fotón c pomocou M PD definovaného na obrázku 3 (a). Ak je fotón c detegovaný pri

Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
,
Image
zbalí sa do

Image

kde sa fázové preklopenie Z uskutoční na polarizačnom DOF fotónov aab pre

Image
, Dva fotóny a a b neboli prepnuté. Inak je fotón c detegovaný pri
Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
a
Image
zbalí sa do

Image

s rovnakou operáciou zotavenia pre

Image
, Tak boli prepnuté polarizačné DOF fotónu a a DOF priestorového režimu fotónu b .

Z obr. 4 (b) sa brána CNOT C SP ( a , b ) v DOF priestorového režimu fotónu a a polarizačná DOF fotónu b používa na zmenu dvoch fotónov aab na

Image

Nasledujúca Toffoliho brána je riadená fotónom d . Podobne ako pri kvantovom spínači na obrázku 3 (b), pomocný priestorový režim DOF riadiaceho fotónu d a pomocný spin e2 v stave

Image
sa používajú na zjednodušenie hybridnej brány Toffoli na dvoch polarizačných qubite a jednom priestorovom qubit. Podrobne, hradlo CNOT C PS ( b , d ) na polarizačnom DOF fotónu b a priestorový DOF fotónu d môžu zmeniť tri fotóny a , b a d na

Image

Podobne ako na obrázku 3 (b), použitím pomocného odstredenia e2 v stave

Image
Z rovníc (17, 18, 19, 20) realizoval obvod S2 riadenú bránu

Image

na fotóne d a DOF priestorového režimu fotónu a . Po tomto obvode

Image
sa zmení na

Image

Nasledovaná brána CNOT C SP ( a , b ) [na priestorovom režime DOF fotónu a a polarizačný DOF fotónu b zobrazený v rovnici (5)] sa môže zmeniť

Image
do

Image

Nakoniec zmeria fotón d pomocou M PD definovaného na obrázku 3 (a). Ak je fotón d detegovaný pri

Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
, potom
Image
zbalí sa do

Image

kde jednofázová operácia - I sa vykonáva na fotóne a z priestorového režimu a 2 a fázové preklopenie Z sa vykonáva na polarizačnom DOF fotónu b pre

Image
, Inak je fotón d detegovaný pri
Image
alebo
Image
s úplnou pravdepodobnosťou
Image
a
Image
zbalí sa do

Image

s rovnakými operáciami vymáhania pre

Image
, Tým sa zmenil priestorový režim DOF fotónu a a polarizačný DOF fotónu b . Preto rôzne DOF dvoch fotónov môžu byť prepínané pod kvantovou kontrolou.

diskusia

Pri ideálnych podmienkach môže byť únik zo strany dutiny zanedbávaný a koeficienty odrazu sú

Image

a

Image
, Zodpovedajúce vernosti nášho spínacieho obvodu sú takmer 100%. Experimentálne vernosti sa, bohužiaľ, môžu zmenšiť kvôli zničeným pravidlám prechodu v rovnici (4) z kvantovej dekódovania a kvantového znižovania. Ak sa vezme do úvahy miešanie ťažkých a ľahkých otvorov, nedokonalé pravidlo prechodu závislé od otáčania znižuje vernosť o niekoľko percent. Našťastie miešanie dier sa dá znížiť zlepšením tvaru, veľkosti a typu QD 22 . Pri pokuse o zanedbanie bočného úniku z dutiny by sa malo uvažovať v experimente 21, 22, 58, 59, 60, 61 . Dekherencia elektrónového spinu sa môže tiež znížiť predĺžením doby koherencie elektrónov do μs pomocou techník spinovej echo 22 . Stočené stavy
Image
a
Image
sú generované s použitím nanosekundových elektrónových spinových rezonančných mikrovlnných impulzov alebo pikosekundových optických impulzov 60, ktorých čas prípravy (ps) je podstatne kratší ako čas koherencie spinu.

V rezonančnom stave ω c = ω e = ω , ak sa vezme do úvahy únik na strane dutiny, pravidlá optického výberu v rovnici (4) sa stanú

Image

Všeobecná vernosť je definovaná v

Image
, kde
Image
a
Image
sú konečné stavy v ideálnom stave a experimentálna situácia s bočným únikom. Na základe pravidiel optického výberu v rovnici (38) sa vernosti týchto štyroch riadených kvantových prepínačov hodnotia na obrázku 5. Pretože tieto vernosti závisia od koeficientov počiatočných fotónov, sú uvedené ako očakávania počiatočných stavov. Z obrázku 5 sú tieto priemerné vernosti veľmi podobné. Existuje niekoľko dôvodov. Prvým je, že všetky brány CNOT [ C PP ( x , y ), C PS ( x , y ), C SP ( x , y ) a C SS ( x , y )] sa vykonávajú iba na dvoj- qubitové stavy s rôznymi bázami 49, zatiaľ čo ostatné dve qubity sa nezmenili. Druhým je, že z rovnakých optických pravidiel v rovnici (38), všetky brány CNOT [ C PP ( x , y ), C PS ( x , y ), C SP ( x , y ) a C SS ( x , y )] na rôznych DOF fotónov xay vedie k rovnakej transformácii v štvorrozmernom priestore definovanom maticou

Image

a ) Priemerná vernosť F PP polarizačného DOF prepínača na systéme s dvoma fotónmi. b ) Priemerná vernosť F SS priestorového DOF prepínača v systéme s dvoma fotónmi. ( c ) Priemerná vernosť F SP prepínača fotónov v systéme s dvoma fotónmi. d ) priemerná vernosť F PS fotónového krížového prepínača v systéme s dvoma fotónmi. Pevnosť spoja je definovaná pomocou ς = 0, 1 K s . Priemerná vernosť sa počíta ako očakávanie vstupných fotónov. Tu,

Image
z rovnice (2) a rh = 1 - [(1 + 3, 64 g 2 / ( K + Ks ) 2 ) 2 + (1 + K s / K + 0, 364 g 2 / ( K + K ) 2 ) 2 ] -1/2 z rovnice (1).

Obrázok v plnej veľkosti

Image

Rozdiely sú medzery definované vstupnými qubits. Tretie je, že priemerné vernosti sa hodnotia podľa očakávaní počiatočných štátov. Vstupný quit priestorového DOF teda nemá žiadny rozdiel s qubit polarizačného DOF každého fotónu. Posledným je to, že čiastkové obvody SI a S2 realizovali rovnaké dvojito riadené NOT brány zobrazené v rovnici (26) a rovnici (33), ak sa vezme do úvahy tretí dôvod, tj rozdiely dvoch vstupných qubitov fotónu. a sú vynechané. Vo všeobecnosti možno vysokú vernosť dosiahnuť silnou väzobnou silou, nízkym bočným presakovaním a mierou straty dutín K s / K. Silná väzbová pevnosť g / ( K + K s ) sa zvýšila na 2, 4 zlepšením návrhov vzoriek, rastu a výroby 58, 62 . Keď je väzbová sila g / ( K + κ s ) ≈ 2, 4 s κ s / κ ≈ 0, sú presnosti prepínačov hyper fotónov väčšie ako 97, 75%. V experimente sa miera bočného úniku a straty dutín znížila na K s / K 0, 7 pomocou g / ( K + K ) 1 57, 58 . Nedávno bolo experimentálne dosiahnuté kvantové hradlo medzi spinovým stavom jedného zachyteného atómu a polarizačným stavom optického fotónu obsiahnutého v slabom laserovom impulze25. Veríme, že ich hybridná brána sa môže rozšíriť na naše všeobecné hyper fotónové spínače.

Záverom sme skúmali možnosť fotónových prepínačov založených na dvoch DOF fotónových systémov. Použitím niekoľkých deterministických brán CNOT na polarizačnom a priestorovom režime DOF dvojfotónového systému a zjednodušených Toffoli brán na niekoľkých trojfotónových systémoch navrhujeme niekoľko riadených fotónových prepínačov. V porovnaní s rovnakými DOF fotónových prepínačov 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 naše schémy realizovali všetky možné prepínače dvoch DOF fotónových systémov. Ďalej môže byť kontrolný qubit vybraný ako fotón s dvoma DOF na základe hyper CNOT brán založených na jednostrannom QD na dvojfotónovom systéme 49 . Naše schémy sú preto veľmi výhodné pre kvantovú sieťovú komunikáciu založenú na fotónoch s dvoma DOF, pretože každý DOF fotónu sa môže aplikovať bez zmeny DOF počas prenosu. V porovnaní s fotónovými prepínačmi 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 s ôsmimi fotonickými bránami CNOT [šesť pre bránu Toffoli 53 ], naše obvody stoja iba štyri brány CNOT na dvojfotónovom systéme s pomocou pomocného DOF riadiaceho fotónu. Samozrejme môžu byť fotónové prepínače ovplyvnené únikom dutín a súdržnosťou spinov v kvantových bodkách alebo excitonovou koherenciou v experimente. Z experimentálnych systémov QD 57 a hybridného riadeného fázového preklopenia 25 sa očakáva, že naše prepínače budú realizovateľné pre kvantovú sieťovú komunikáciu.

metódy

Paralelné vyhľadávanie trasy

Aby sa realizoval všeobecný kvantový sieťový prenos, primitívny kvantový prepínač 2 × 2 sa môže rozšíriť na viac vstupov. Kvantové prepínacie siete sú analógmi klasických prepínacích sietí, v ktorých sú klasické prepínače nahradené kvantovými prepínačmi. Tieto siete sa používajú na prepínanie kvantových údajov medzi množinou kvantových zdrojov a prijímačov. Podobne ako pri klasických prepínacích sieťach 6, 7, ľahko definuje kvantovú Benesovu sieť 63 . Sieť N × N Quantum Benes je definovaná rekurzívne na obrázku 6 (a). Skladá sa z 2log N- 1 stupňov 2 × 2 kvantových prepínačov, pričom každý stupeň nemá viac ako N / 2 2 × 2 prepínačov. Podobne ako v prípade klasickej siete Benes, aj kvantová sieť v Benešove je prestaviteľná neblokujúca, tj pre každú permutáciu π ∈ SN existuje nastavenie 2 × 2 prepínačov tak, že π môže byť realizovaná sieťou. Najjednoduchším klasickým smerovacím algoritmom je slučkový algoritmus 6, 7 . Zložitosť tohto algoritmu je O ( N log N ). Algoritmus predchádzajúceho zisťovania trasy však neznížil zložitosť rôznych ciest. S určitým predkódovaním je uvedený modifikovaný algoritmus. Pre N vstupných fotónov 1, 2, · ·, N existuje N možných výstupov. Výstupy možno opísať ako π (1, 2, · ·, N ). Označte všetky riadky pomocou l i , j pod poradím matíc. i označuje vstupné číslo, zatiaľ čo j označuje počet odkazov zľava doprava. Pre každý prepínač existujú štyri možné riadky. Dva riadky l i , j a l j , j pre každý pár ( i , j ) označujú spojenia pre nezmenené prenosy. Riadky l i , j pre každý pár ( i , j ) označujú spojenia pre krížové prenosy.

Image

a ) Trasa prvého kola s tromi farbami pre vstupy 1, 2 a 4. b ) Trasa druhého kola s tromi farbami pre vstupy 3, 7 a 8. c ) Tretia okružná trasa s dvoma farbami pre vstupy 5 a 6. d ) všetky trasy rekonštruované v jednej sieti. Ri označuje i- tú smerovaciu cestu, i = 1, 2, · ·, 8.

Obrázok v plnej veľkosti

algoritmus

(1) Permutačná mapa je daná π , kde každý vstup i je mapovaný na výstup π ( i ), i = 1, · ·, N. Nech S 1 = π ( i 1 ) < π ( i 2 ), ak i 1 < i 2 a

Image
(doplnkový súbor).

(2) Nasmerujte všetky vstupy v S 1 paralelne (smerom hore, ak π ( i )> i alebo smerom dole, ak π ( i ) < i , signál pokračujte rovno cez planárnu sieť pomocou π (1) −1 stehov a potom dopredu do posledných etáp. Zaznamenajte trasy podľa ich čiar.

(3) Vymažte dokončené cesty a súvisiace prepínače (označenie zostávajúcej trasy vo všetkých použitých prepínačoch) zo siete [pozri obr. 6 písm. B)].

(4) Posúvajte oddelený pravý horný rohový trojuholník nadol a doľava, aby ste rekonštruovali planárnu topológiu [pozri obrázok 6 (b)].

(5) Zostávajúce

Image
planárnu sieť možno smerovať rekurzívnym uskutočnením krokov 2–4 [pozri obr. 6 písm. c)].

(6) Nakoniec postupne zrekonštruujte všetky trasy s pôvodnými odkazmi. Pokiaľ ide o i- tú trasu, ak existujú predchádzajúce i- 1 trasy spojené s n i prepínačmi, mala by byť prepojená v poradí s predchádzajúcimi i- 1 trasami [pozri obrázok 6 (d)].

Tento algoritmus na zisťovanie trasy trvá iba trikrát v porovnaní so siedmimi použitím algoritmu opakovania 6, 7 . Prvýkrát

Image
, súbežne je možné nájsť tri trasy trás. Z definície S 1 nemajú všetky tieto trasy spoločné väzby. Po druhýkrát
Image
, Paralelne možno nájsť iba tri trasy trás, pretože trasy pre výstupy π (3) a π (5) majú spoločné spojenia ( π (3)> π (5) a 3 <5). Tretíkrát,
Image
, Paralelne možno nájsť dve trasy trás. Algoritmus rekonštrukcie je rovnaký ako algoritmus opakovania 6, 7 . Všeobecne môže tento algoritmus skrátiť najmenej polovičný čas algoritmu slučky 6, 7, pozri SI.

Jednostranný systém QD v kvantovej komunikácii založený na dvoch DOF

Predchádzajúce výsledky závisia hlavne od jedného DOF, ako sú napríklad polarizačné logické brány využívajúce DOF v priestorovom režime ako pomocníka 21, 64, 65 . Pomocou jednostranného systému QD realizovali tieto prepínače všetky možné prepínače fotónov s dvoma DOF. Fotonické spínače teda ukazujú, že nezávislosť polarizácie a DOF priestorového režimu fotónového systému. Aj keď sa dva DOF môžu v aplikáciách vzájomne konvertovať, ich konverzia môže mať za následok zlyhanie pri súčasnom použití. Jeden typický príklad je odvodený z kódovacieho quitu a quitu korekcie chýb rôznych algoritmov. Navyše, ak sa rôzne DOF rôznych fotónov používajú na kódovanie toho istého typu informácií, treba venovať pozornosť ich rôznym obvodom.

Doplnková informácia

Súbory PDF

  1. 1.

    Doplnková informácia

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.