DE-102024134786-B3 - Verfahren zum Betrieb einer photonischen Schaltung

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer photonischen Schaltung (50), insbesondere eines photonischen Quad-Rail-Gatters, zur Erzeugung verschränkter Lichtzustände (1-8), welches Schritte zur periodischen Erzeugung mehrerer räumlich getrennter gequetschter Lichtzustände (1-8), zur räumlich getrennten Einspeisung der gequetschten Lichtzustände (1-8) in die photonische Schaltung (50), zur paarweisen Überführung der gequetschten Lichtzustände (1-8) in EPR-Paare und zur Anwendung mindestens einer Zeitmultiplex-Operation auf mindestens zwei EPR-Paare, insbesondere auf zwei Lichtzustände (1-8) unterschiedlicher EPR-Paare, zur Erzeugung eines verschränkten Cluster-Zustands umfasst. Vier Lichtzustände (1, 2, 3, 8; 4, 5, 6, 7) werden mittels Strahlteiler-Interaktionen derart untereinander verschränkt werden, dass mindestens ein räumlicher Quad-Rail-Gatterknoten (17) entsteht wobei der mindestens eine räumliche Quad-Rail-Gatterknoten (17) aus einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (1, 5) eines ersten EPR-Paares, einem zeitverschobenen komplementären Lichtzustand (2, 6) eines zeitlich früheren gleichen EPR-Paares, einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (3, 7) eines zweiten EPR-Paares und einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (8, 4) eines dritten EPR-Paares gebildet wird.

Inventors

• Henk Snijders

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241126

Claims (13)

1. Verfahren zum Betrieb einer photonischen Schaltung (50), insbesondere eines photonischen Quad-Rail-Gatters, zur Erzeugung verschränkter Lichtzustände (1-8) umfassend die Schritte: • Periodische Erzeugung mehrerer räumlich getrennter gequetschter Lichtzustände (1-8); • räumlich getrennte Einspeisung der gequetschten Lichtzustände (1-8) in die photonische Schaltung (50); • paarweise Überführung der gequetschten Lichtzustände (1-8) in EPR-Paare; • Anwendung mindestens einer Zeitmultiplex-Operation auf mindestens zwei EPR-Paare, insbesondere auf zwei Lichtzustände (1-8) unterschiedlicher EPR-Paare, zur Erzeugung eines verschränkten Cluster-Zustands; dadurch gekennzeichnet , dass vier Lichtzustände (1, 2, 3, 8; 4, 5, 6, 7) mittels Strahlteiler-Interaktionen derart untereinander verschränkt werden, dass mindestens ein räumlicher Quad-Rail-Gatterknoten (17) entsteht wobei der mindestens eine räumliche Quad-Rail-Gatterknoten (17) aus einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (1, 5) eines ersten EPR-Paares, einem zeitverschobenen komplementären Lichtzustand (2, 6) eines zeitlich früheren gleichen EPR-Paares, einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (3, 7) eines zweiten EPR-Paares und einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (8, 4) eines dritten EPR-Paares gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein Lichtzustand (2, 6) mindestens eines EPR-Paares relativ zu dem anderen Lichtzustand (1, 5) des EPR-Paares zeitverschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine zeitverschobene Lichtzustand (2, 6) des mindestens einen EPR-Paares mit dem komplementären Lichtzustand (1, 5) eines zeitlich späteren gleichen EPR-Paares verschränkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der zeitverschobene Lichtzustand (2, 6) des dem ersten EPR-Paar gleichenden EPR-Paares und/oder der nicht-zeitverschobene Lichtzustand (4, 8) des dritten EPR-Paares des mindestens einen räumlichen Quad-Rail-Gatterknotens jeweils mit dem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (1, 5) des ersten EPR-Paares und dem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand (3, 7) des zweiten EPR-Paares verschränkt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine räumliche Quad-Rail-Gatterknoten (17) mehrfach zeitmultiplexiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein Lichtzustand (1-8) zwischen zwei Strahlteiler-Interaktionen phasenverschoben wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass Quadraturwerte, die in den gequetschten Lichtzuständen (1-8) kodiert sind, mit Hilfe einer homodynen Detektion am Ende der photonischen Schaltung (50) gemessen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Interferenz der Lichtzustände (1-8) am Ende der photonischen Schaltung (50) und einer Referenzstrahlung, insbesondere mittels eines abstimmbaren, bevorzugt auf ein Aufteilungsverhältnis von 50/50 eingestellten, Richtungskopplers (13), erzeugt und zusammen mit der Referenzstrahlung bei der homodynen Detektion genutzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet , dass ein gemessener Intensitätsunterschied über ein vordefiniertes Zeitintervall integriert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein Detektorausgang (14) an einen photonenzahlauflösenden Detektor, insbesondere einen PNR-SNSPD oder TES, geleitet wird.
11. Photonische Schaltung (50), insbesondere integrierte photonische Schaltung, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.
12. Photonische Schaltung (50) nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch mindestens eine Verschaltung (15) von vier Vierfachstrahlteilern (11) zur Erzeugung eines räumlichen Quad-Rail-Gatterknoten (17).
13. Quantencomputer, dadurch gekennzeichnet , dass er zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgestaltet ist und/oder eine photonische Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 umfasst.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer photonischen Schaltung zur Erzeugung verschränkter Lichtzustände. Weitere Gegenstände der Erfindung bilden eine photonische Schaltung sowie ein Quantencomputer. Photonische Schaltungen, welche zur Verschränkung von erzeugten Lichtzuständen verwendet werden, sind als solche bekannt. Die mit solchen photonischen Schaltungen verschränkten Lichtzustände kommen insbesondere in Quantencomputern zum Einsatz. Erzeugt werden diese Schaltungen mit Freiraumaufbauten (Free-Space Optics, FSO). Diese bestehen entweder nur aus zeitlichem oder nur aus räumlichem Multiplexing. Diese Technik ist platzintensiv und kann somit nicht in integrierten photonischen Schaltungen verwendet werden. Auch ist es in dieser Technik sehr schwer, den Aufbau phasenstabil zu halten, da Freiraumaufbauten eine hohe Anfälligkeit gegenüber mechanischen und anderen Störquellen aufweisen. Eine ausreichende Phasenstabilität ist jedoch eine Grundvoraussetzung für Quantencomputeranwendungen. Des Weiteren erzeugen die bekannten Freiraumaufbauten nur eine begrenzte Menge an Verschränkungen, die nicht direkt auf größere Systeme skalierbar sind. Eine Skalierbarkeit über wenige Qubit hinaus ist mit der bisherigen Technik daher nicht möglich, so dass die bisherigen photonischen Schaltungen nicht für photonische Quantencomputer geeignet sind. Die D1 beschreibt: Aufgrund seines einzigartigen Skalierungspotenzials ist die kontinuierlich variable Quantenoptik eine vielversprechende Plattform für großflächiges Quantencomputing. Insbesondere lassen sich sehr große Clusterzustände mit einer zweidimensionalen Topologie, die für universelles Quantencomputing und Quantensimulation geeignet sind, deterministisch erzeugen. Zudem sind Ansätze für Fehlertoleranz durch bosonische Quantenfehlerkorrektur bekannt. In diesem Artikel wird eine vollständige, messbasierte Quantencomputing-Architektur für die Implementierung eines universellen Gatementorsatzes auf den kürzlich erzeugten zweidimensionalen Clusterzuständen vorgeschlagen. Es werden die Leistung der verschiedenen Quantengates analysiert, die in diesen Clusterzuständen sowie in anderen zweidimensionalen Clusterzuständen (wie dem Doppelschicht-Quadratgitter und dem Vier-Schienen-Gitter-Clusterzustand) ausgeführt werden, indem das damit verbundene stochastische Rauschen sowie die daraus resultierende Gate-Fehlerwahrscheinlichkeit abgeschätzt und minimiert werden. Es werden die vier verschiedenen Zustände verglichen und festgestellt, dass, obwohl sie alle universelle Berechnungen ermöglichen, der Vier-Schienen-Gitter-Clusterzustand eine bessere Leistung zeigt als die anderen drei Zustände, die alle eine ähnliche Performance aufweisen. D1: LARSEN, Mikkel V. ; NEERGAARD-NIELSEN, Jonas S. ; ANDERSEN, Ulrik L.: Architecture and noise analysis of continuous-variable quantum gates using two-dimensional cluster states. Preprint. [v2] Tue, 20 Oct 2020 08:04:22 UTC. 2020-10-20. S. 1-26. https://doi.org/10.48550/arXiv.2005.13513 [abgerufen am 2025-09-23] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, eine Möglichkeit der Verschränkung von Lichtzuständen anzugeben, welche für photonische Quantencomputer geeignet ist. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betrieb einer photonischen Schaltung, insbesondere eines photonischen Quad-Rail-Gatters, der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Verfahren Schritte zur periodischen Erzeugung mehrerer räumlich getrennter gequetschter Lichtzustände, zur räumlich getrennten Einspeisung der gequetschten Lichtzustände in die integrierte photonische Schaltung, zur paarweisen Überführung der gequetschten Lichtzustände in EPR-Paare (Einstein-Podolsky-Rosen-Paare) und zur Anwendung mindestens einer Zeitmultiplex-Operation auf mindestens zwei EPR-Paare, insbesondere auf zwei Lichtzustände unterschiedlicher EPR-Paare, zur Erzeugung eines verschränkten Cluster-Zustands umfasst. Vier Lichtzustände werden mittels Strahlteiler-Interaktionen derart untereinander verschränkt, dass mindestens ein räumlicher Quad-Rail-Gatterknoten entsteht wobei der mindestens eine räumliche Quad-Rail-Gatterknoten aus einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand eines ersten EPR-Paares, einem zeitverschobenen komplementären Lichtzustand eines zeitlich früheren gleichen EPR-Paares, einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand eines zweiten EPR-Paares und einem nicht-zeitverschobenen Lichtzustand eines dritten EPR-Paares gebildet wird. Bei der periodischen Erzeugung mehrerer räumlich getrennter gequetschter Lichtzustände werden zu einem Zeitpunkt mehrere räumlich getrennte gequetschte Lichtzustände erzeugt. Die gleichen gequetschten Lichtzustände werden nach einer vordefinierten Periodendauer erneut erzeugt, so dass räumlich zueinander getrennt zeitliche Abfolgen gleicher gequetschter Lichtzustände erzeugt werden. Die jeweils zeitlich zueinander beabstandet erzeugten gequetschten Lichtzustände gleichen sich somit, während räumlich getrennte gequetschte Lichtzu