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上海交大金贤敏团队与合作者在光子芯片中实现量子与非逻辑门

       10月14日,国际物理学权威期刊《物理评论快报》以“Integrated Quantum-Walk Structure and NAND Tree on a Photonic Chip”为题发表了上海交通大学金贤敏团队与南方科技大学翁文康教授合作的最新研究成果:提出一种通过耦合链产生高斯波包的量子滑梯结构,并利用该量子滑梯实现了量子与非逻辑门器件。

       在后摩尔时代,下一代计算模型很可能是一种混合架构,包含有不同的物理组件,如光子芯片和电子芯片。利用与非逻辑门能够实现其他所有逻辑门,通过量子行走加速实现与非逻辑的方案在2008年就已经被提出。然而,到目前为止,仍然没有实验实现,制备传输初态是其中最主要的挑战。研究团队提出了一个替代的解决方案,利用量子滑梯产生高斯波包作为初态,并成功演示了两输入和四输入的逻辑门。

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量子滑梯的理论设计及实验结果,详见论文

       研究团队通过精确地调控的一维链中相邻格点间的耦合强度,这样由一排波导组成的一维链就形成了量子滑梯:将光子注入在一维链的第一个格点,经过光子的演化,在一维链末端区域就可以获得一个完美的高斯波包。如上图所展示,波包的宽度可以通过一维链的长度调控,在量子滑梯后面接上一维均匀晶格,在均匀晶格中就可以获得高斯波包。

       量子与非门的实现是通过将二叉树结构的与非树(NAND tree)连接到一个均匀格点组成的跑道(Runway)中间。与非门逻辑的输出是通过二叉树末端格点的有无来进行确定的,如下图所表示,当二叉树末端有额外的格点存在时,则该逻辑输入表示为1,否则逻辑输入为0。将高斯波包从跑道的左侧注入,如果高斯波包能够传输到跑道右侧,则与非树的逻辑结果就是1,否则逻辑结果是0。

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四输入量子与非逻辑门结果:(a)逻辑树截面(b)实验结果,详见论文

       通过结合量子滑梯以及与非树,研究团队在集成光子芯片上实现了量子与非逻辑,与分子系统相比,激光直写集成芯片系统在集成度和扩展度上有巨大优势。此外,这项工作中的平衡树结构可以很容易地推广到不平衡的与非算法,这将可应用于二人对策问题。此外由于与非门的通用性,这使得推广量子与非门表示任意的布尔函数成为可能。

       研究团队感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、上海市科委重大项目、中组部青年千人计划以及上海市教委等的大力支持。上海交通大学博士生王耀与南方科技大学崔子嵬为论文共同第一作者,上海交通大学金贤敏教授与南方科技大学翁文康教授为论文共同通讯作者。

       论文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.160502

王耀
物理与天文学院
       

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