多功能光量子计算机教学系统

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种多功能光量子计算机教学系统，适用于量子计算、教学试验等应用领域。

背景技术

量子计算机可以利用物理状态的叠加和纠缠，相比于传统计算机，在大数分解等问题上可以进行指数的加速。量子计算自从上世纪80年代提出以来，世界各国的科学家纷纷在这一方向开展了研究。近年来，不仅仅在科研领域，各种大型的科技公司对量子计算研究的投资也有所增加。在2019年和2020年，美国和中国的科学家相继在超导量子计算机系统和光学量子计算机系统上实现了超越经典计算机运算能力的量子模拟机，这也使得在量子计算机的研究方面，竞争更加激烈。

目前，量子计算的发展还处于初级阶段，量子计算的研究主要集中于超导、光学、离子阱等系统，研究所用的设备昂贵，研究人员的技术要求高，人员短缺。同时，各高校的量子计算课程还处于理论学习阶段，量子计算实验教学不成熟，缺少相应的专业设备。为了更好的进行量子计算的教学和人才培养，吸引更多的人才进行量子计算的研究，急需研制相应的量子计算教学设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多功能光量子计算机教学系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种多功能光量子计算机教学系统，所述教学系统包括光量子计算机设备和光量子计算软件操作系统；其中，

所述光量子计算软件操作系统包括光量子计算机设备连接图、控制非门操纵界面、Deutsch-Jozsa算法运行界面；

所述光量子计算机设备包括激光、非线性晶体、线性光学器件、光量子计算处理器和量子态测量系统；其中，所述光量子计算处理器和所述量子态测量系统通过所述光量子计算机设备连接图进行连接；所述光量子计算处理器包括量子光源、单比特量子门和控制非门。

可选的，所述量子光源包括激光器，用于产生波长范围为300nm-450nm的初始泵浦光；所述激光器为连续激光器或脉冲激光器，半高宽范围为0.01-10nm。

可选的，所述量子光源还包括聚焦透镜，用于将泵浦光聚焦于非线性晶体上产生双光子对；所述非线性晶体包括0型相位匹配晶体、I型相位匹配和II型相位匹配晶体。

可选的，所述量子光源为两路触发单光子源。

可选的，所述光量子计算处理器还包括半波片和部分极化分束器，用于对光子的极化进行旋转以及路径分离。

可选的，所述控制非门用于将两个独立的光子纠缠起来。

可选的，所述量子态测量系统包括半波片、四分之一波片、极化分束器和单光子探测器，用于对光子的极化状态进行层析测量。

可选的，所述控制非门操纵界面，通过编码两路光子的极化状态，同时测量计算结果，最后输出不同基矢下的逻辑真值表。

可选的，所述控制非门操纵界面，通过编码两路光子的极化状态，经过控制非门形成两光子四种最大纠缠态，并检验纠缠保真度和爱因斯坦非定域性不等式。

可选的，所述Deutsch-Jozsa算法界面，包括四种函数的量子计算线路图、编码和探测方法、量子态分析和计算结果。

基于上述技术方案可知，本发明的多功能光量子计算机教学系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)该多功能光量子计算机教学系统，可以演示量子计算最基本逻辑门CNOT并测量不同基矢下的逻辑真值表，理解最基本的量子计算元件。

(2)该多功能光量子计算机教学系统，可以通过控制非门(CNOT)将两个独立的光子纠缠起来，检验纠缠保真度和爱因斯坦非定域性(CHSH)不等式，理解量子纠缠和量子逻辑门的作用。

(3)该多功能光量子计算机教学系统，支持运行Deutsch-Jozsa算法，从而理解量子计算加速。

(4)该多功能光量子计算机教学系统，通过采用光量子计算软件操作系统可以对光量子计算线路进行实时编程，结合量子态探测和分析功能，直观展示多功能光量子计算机的组成和计算功能。

(5)该发明体积小，操作方便，利于扩展，非常适合量子计算的教学和演示。

附图说明

图1示意性出示了根据本发明的一个实施例的系统平台原理图；

图2示意性出示了根据本发明的一个实施例的系统平台光量子计算机设备连接图，其中2a为全自动操作模式，2b为手动操作模式；

图3示意性出示了根据本发明的一个实施例的光量子计算软件操作系统面板图；

图4示意性出示了根据本发明的一个实施例的CNOT光量子计算处理器线路图；

图5示意性出示了根据本发明的一个实施例的演示Deutsch-Jozsa算法常值函数1的光量子计算处理器线路图；

图6示意性出示了根据本发明的一个实施例的演示Deutsch-Jozsa算法常值函数2的光量子计算处理器线路图；

图7示意性出示了根据本发明的一个实施例的演示Deutsch-Jozsa算法平衡函数3的光量子计算处理器线路图；

图8示意性出示了根据本发明的一个实施例的演示Deutsch-Jozsa算法平衡函数4的光量子计算处理器线路图。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题是现有的量子计算机系统组成复杂，体型巨大，实际操作比较困难，无法进行广泛的量子计算实验教学。同时，国内的量子计算实验教学不成熟，缺乏相应的量子计算教学设备，量子计算的认知水平低，这也进一步阻碍了量子计算研究的快速发展。为此，本发明公开了一种多功能光量子计算机教学系统，该系统包含：光量子计算软件操作系统和光量子计算机设备。光量子计算软件操作系统包含了光量子计算机设备连接图、控制非门操纵界面、Deutsch-Jozsa算法运行界面；光量子计算机设备包括激光、非线性晶体、线性光学器件、量子光源、单比特量子门和控制非门组成的光量子计算处理器、量子态测量系统，上述器件通过光量子计算机设备连接图进行连接。该教学系统可以演示量子计算最基本逻辑门CNOT并测量不同基矢下的逻辑真值表，理解最基本的量子计算元件；可以通过CNOT门将两个独立的光子纠缠起来，检验纠缠保真度和CHSH不等式，理解量子纠缠和量子逻辑门的作用；支持运行Deutsch-Jozsa算法，从而理解量子计算加速。通过采用光量子计算软件操作系统可以对光量子计算线路进行实时编程，结合量子态探测和分析功能，直观展示多功能光量子计算机的组成和计算功能。该发明操作方便，利于扩展，可应用于量子计算应用领域的教学和演示。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的主要结构示意图。量子光源经过光量子计算处理器计算后输出结果，光量子计算软件控制系统对结果进行分析，同时对光量子计算处理器进行编码，从而实现不同的计算功能。

本发明提出一种多功能光量子计算机教学系统。该系统包含：光量子计算软件操作系统和光量子计算机设备。其中光量子计算软件操作系统包含了光量子计算机设备连接图、控制非门操纵界面、Deutsch-Jozsa算法运行界面；光量子计算机设备包括激光、非线性晶体、线性光学器件、量子光源、单比特量子门和控制非门组成的光量子计算处理器、量子态测量系统。

根据本发明进一步的实施例，所述光量子计算机设备连接图将量子光源、单比特量子门和控制非门组成的光量子计算处理器、量子态测量系统连接起来，形成一个多功能光量子计算机。

根据本发明进一步的实施例，所述量子光源包括：激光器，可选的，用于产生波长范围为300nm-450nm的初始泵浦光。激光器为连续或脉冲激光器，半高宽范围为0.01-10nm。所述量子光源包括所述激光器光源包含聚焦透镜，用于将泵浦光聚焦于非线性晶体上产生双光子对。所述的非线性晶体包括0型相位匹配晶体KTP、LN、MgLN、SLT等；I型相位匹配和II型相位匹配晶体RTP、BBO、KTP、BiBO、SKTP、LN、CLBO、KTA、KDP等。相位匹配条件可通过周期极化晶体设计、角度或温度调控等进行实现。光子对的偏振可以没有纠缠或是纠缠的。晶体的结构设计可以是Beamlike型或是双环型等。实验用量子光源为两路触发单光子源。

根据本发明进一步的实施例，所述单比特量子门和控制非门组成的光量子计算处理器包括半波片，部分极化分束器，用于对光子的极化进行旋转以及路径分离。

根据本发明进一步的实施例，所述控制非门可以将两个独立的光子纠缠起来。

根据本发明进一步的实施例，所述量子态测量系统包括半波片，四分之一波片，极化分束器，单光子探测器，用于对光子的极化状态进行层析测量。

根据本发明进一步的实施例，所述光量子计算处理器的部分半波片，四分之一波片，可以用软件进行控制，用于对光子的极化状态进行编码和测量。

根据本发明进一步的实施例，所述控制非门操纵界面，通过编码两路光子的极化状态，同时测量计算结果，最后输出不同基矢下的逻辑真值表。

根据本发明进一步的实施例，所述控制非门操纵界面，通过编码两路光子的极化状态，经过CNOT门可以形成两光子四种最大纠缠态，并检验纠缠保真度和CHSH不等式。

根据本发明进一步的实施例，所述Deutsch-Jozsa算法界面，包括四种函数的量子计算线路图、编码和探测方法、量子态分析和计算结果。

如图2所示，为光量子计算硬件连接图。图2a中1代表量子光源部分，通过激光器经过透镜之后聚集在非线性晶体上，得到HV的光子对，经过一个偏振分束器后产生两路触发的单光子源。该实施例中，激光器的激光通过双色镜与产生的光子对分开。2代表光量子计算处理器部分，通过R1，R2，R3，R4，R5经过光量子计算软件控制系统来编码光子的偏振状态，通过机械旋转的反射镜控制光子是否经过CNOT门。3代表光量子态分析探测装置，通过R6，R7，R8，R9来测量不同基矢下的逻辑真值图。为了方便操作者手动进行光量子计算机的操作，相应机械旋转操纵的器件具备的手动调节能力，也可以调换成纯手动操作的器件，相应的光量子计算硬件连接图如图2b所示。

如图3所示，为光量子计算软件控制系统操作面板。其中多功能光量子计算机教学系统说明标签页，列出了光量子计算硬件连接图，方便操作者了解该光量子计算机的硬件和功能。控制非门标签页，包含了如图4所示的光量子线路说明。同时通过R1，R2，R3，R4，R5编码光子的输入态，实现控制非门(CNOT)的功能，最后经过量子态测量，得到逻辑真值表。当R1，R2编码的光子为(H或V，+或-)时，可以产生双光子的纠缠态，进而可以进行CHSH不等式测量。示例性的，图3对应是Deutsch-Jozsa算法平衡函数4的操纵面板。逻辑门操纵和算法演示的光量子线路编程、量子态测量和计算结果等部分具备自动和手动操纵模式，方便操作者了解整个量子计算的功能和计算过程，也进一步锻炼了操作者的实验能力。

如图5-8所示，为实施例的演示Deutsch-Jozsa算法常值函数或平衡函数的光量子计算处理器线路图。为了演示Deutsch-Jozsa算法，通过光量子计算线路编码四种函数，经过运算最终通过输出结果来判断函数是常数函数或者是平衡函数。图5-8中显示的线路图是实现Deutsch-Jozsa算法的基本量子线路。上面的输入比特是控制比特，下面的输入比特是工作比特。通过H门操作，控制比特变成

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。