专利摘要

一种基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，包括：依次相连的作为m模干涉仪的三维光子芯片、作为探测端的雪崩光电二极管阵列、时间飞行模块、数据处理模块，本发明能够探测、采集并存储玻色采样量子计算过程中，m个不同通道信号发生的时间信息，经后处理提取所需n个光子信号和1个触发信号符合事件的时间信息，利用符合事件的时间信息重构玻色采样量子计算的出射概率分布。这种方法取代了以往实验过程中采集事件发生次数的方式，并将实验所需的时间和计数率大幅降低了两个数量级，提高了玻色采样量子计算的效率并减少了实验时间资源的消耗，进一步提供了玻色采样量子计算增加光子数量n和模式数量m，最终实现量子霸权的可能性。

权利要求

1.一种基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，其特征在于，包括：依次相连的作为m模干涉仪的三维光子芯片、作为探测端的雪崩光电二极管阵列、时间飞行模块、数据处理模块，其中：实现玻色采样量子计算的三维光子芯片将n个全同光子注入到m个模式的干涉仪中并最终探测得到所有光子的出射分布，m>n；雪崩光电二极管阵列将接收到的光子的光信号转化为电信号后输出至时间飞行模块，时间飞行模块接收所有通道的电信号并根据电信号对应的发生时间先后顺序进行排序处理并输出包含所有信号时间信息的文档，数据处理模块读取文档中的时间信息，从采集到的n个光子信号和1个触发信号的时间信息中提取所有n+1体符合事件的时间信息，并利用这些时间信息重构n个光子的出射概率分布，实现玻色采样量子计算的数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，其特征是，所述的n个全同光子，是指由Ⅱ型自发参量下转换产生的光子对源，通过带通滤波片使得光子的光谱相同，通过半波片和四分之一波片使得光子的偏振相同，并进一步通过电控平移台补偿不同光路间的光程差，最终确保了光子的全同性。

3.根据权利要求1所述的基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，其特征是，所述的m模干涉仪采用飞秒激光直写技术制造得到的三维光子芯片；

所述的三维光子芯片包括：入射区域、演化区域、出射区域，其中：演化区域横截面为二维波导结构，波导间距为10μm。

4.根据权利要求4所述的基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，其特征是，所述的飞秒激光直写，直写功率在230mw，直写速度在15mm/s，直写材料采用硼硅酸盐玻璃或熔融石英玻璃。

5.根据权利要求1所述的基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，其特征是，所述的时间飞行模块包括：m个出射信号通道和1个额外的触发信号通道，其中：每个通道的时间精度达到了皮秒量级并互相独立设置延时。

6.根据权利要求1所述的基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，其特征是，所述的数据处理模块包括：数据导入单元、延时选择单元、符合窗口选择单元和概率分布重构单元，其中：数据导入单元接收来自时间飞行模块输出的时间信息并输出至延时选择单元，延时选择单元为不同通道与触发信号之间设置合适的延时，以确保两者之间的符合计数最大化，并与符合窗口选择单元连接，符合窗口选择单元通过设置合适的符合窗口门宽，提取所有n+1体符合事件的时间信息并与概率分布重构单元连接，最终利用所有符合事件的时间信息重构时间戳玻色采样的出射概率分布。

7.一种根据上述任一权利要求所述系统的探测，采集，存储及数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)将初始时间t0记为0，当雪崩光电二极管探测阵列中任意一个探测器从m个通道的出射信号和1个额外的触发信号中探测到信号时，通过信号线，将采集到的信号传输到时间飞行模块中，使得时间飞行模块记录信号时间t1，后续通过同样的方式依次记录不同通道探测信号时间t2，t3，……，tn，最终在同一时间轴上，按不同信号发生的先后次序记录下所有探测信号的时间信息；

步骤2)遍历时间飞行模块中所有的时间信息，通过为不同通道设置合适的延时和符合窗口，提取n个光子信号和1个触发信号的所有n+1体符合事件，为了标记每次符合事件的发生，将n+1体符合事件中触发信号的时间作为该次符合事件的时间戳，反映了该次符合事件的时间信息；

步骤3)将提取的符合事件和不同的出射组合一一对应，从而得到不同出射组合的时间戳τ1，τ2，τ3，……，τn，利用所有出射组合的时间戳，通过取倒数，再进行归一化的方式，重构出射概率分布，每一种组合的概率为：从而完成时间戳玻色采样量子计算。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种量子计算领域的技术，具体是一种基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统。

背景技术

玻色采样量子计算最早由S.Aaronson和A.Arkhipov两人提出，被认为是实现量子霸权的可靠候选者之一，其原理是将n个全同玻色子打入m个模式的干涉仪中(m>n)，并对其输出概率分布进行重构和分析。目前世界上已有许多研究从物理上实现了玻色采样量子计算，但是在传统实验过程中，由于系统损耗的影响，随着光子数n和模式数m的增大，总出射组合数 增大到难以完全测得。在合理的实验时间范围内，部分组合可能仅测得几次，甚至只有一次，这大大增加了实验所需时间的消耗，变相阻碍了实验光子数n和模式数m的增加，阻碍了玻色采样量子计算迈入大规模大尺度的阶段，进而阻碍了玻色采样量子计算最终实现量子霸权。

发明内容

本发明针对现有技术在低通量和低采样率的情况下难以进行玻色采样量子计算的问题，提出一种基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，能够探测、采集并存储玻色采样量子计算过程中，不同通道(m个模式)信号发生的时间信息，经后处理提取所需n+1体 (n个光子信号和1个触发信号)符合事件的时间信息，利用符合事件的时间信息重构玻色采样量子计算的出射概率分布。这种方法取代了以往实验过程中采集事件发生次数的方式，并将实验所需的时间和计数率大幅降低了两个数量级，提高了玻色采样量子计算的效率并减少了实验时间资源的消耗，进一步提供了玻色采样量子计算增加光子数量n和模式数量m，最终实现量子霸权的可能性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，包括：依次相连的作为m模干涉仪的三维光子芯片、作为探测端的雪崩光电二极管阵列、时间飞行模块、数据处理模块，其中：实现玻色采样量子计算的三维光子芯片将n个全同光子注入到m个模式的干涉仪中并最终探测得到所有光子的出射分布，m>n；雪崩光电二极管阵列将接收到的光子的光信号转化为电信号后输出至时间飞行模块，时间飞行模块接收所有通道的电信号并根据电信号对应的发生时间先后顺序进行排序处理并输出包含所有信号时间信息的文档，数据处理模块读取文档中的时间信息，从采集到的n个光子信号和1个触发信号的时间信息中提取所有n+1 体符合事件的时间信息，并利用这些时间信息重构n个光子的出射概率分布，实现玻色采样量子计算的数据处理。

所述的n个全同光子，是指由Ⅱ型自发参量下转换(SPDC)产生的光子对源，通过带通滤波片使得光子的光谱相同，通过半波片和四分之一波片使得光子的偏振相同，并进一步通过电控平移台补偿不同光路间的光程差，最终确保了光子的全同性。

所述的光子对源的产生方式采用但不限于基于β相偏硼酸钡(BBO)晶体Ⅱ型自发参量下转换过程。

所述的m模干涉仪采用但不限于飞秒激光直写技术(femtosecond laser directwriting technique)制造得到的三维光子芯片实现。

所述的三维光子芯片包括：入射区域、演化区域、出射区域，其中：演化区域横截面为二维波导结构，但不限于二维结构。

所述的二维波导结构，波导间距为10μm，但不限于这种波导间距。

所述的飞秒激光直写，直写功率在230mw，直写速度在15mm/s，直写材料采用硼硅酸盐玻璃或熔融石英玻璃，但不限于这种材料。

所述的时间飞行模块包括：m个出射信号通道和1个额外的触发信号通道，其中：每个通道的时间精度达到了皮秒量级并互相独立设置延时。

所述的数据处理模块包括：数据导入单元、延时选择单元、符合窗口选择单元和概率分布重构单元，其中：数据导入单元接收来自时间飞行模块输出的时间信息并输出至延时选择单元，延时选择单元为不同通道与触发信号之间设置合适的延时，以确保两者之间的符合计数最大化，并与符合窗口选择单元连接，符合窗口选择单元通过设置合适的符合窗口门宽，提取所有n+1体符合事件的时间信息并与概率分布重构单元连接，最终利用所有符合事件的时间信息重构时间戳玻色采样的出射概率分布。

本发明涉及上述系统的探测，采集，存储及数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1)将初始时间t0记为0，当雪崩光电二极管探测阵列中任意一个探测器从m个通道的出射信号和1个额外的触发信号中探测到信号时，通过信号线，将采集到的信号传输到时间飞行模块中，使得时间飞行模块记录信号时间t1，后续通过同样的方式依次记录不同通道探测信号时间t2，t3，……，tn，最终在同一时间轴上，按不同信号发生的先后次序记录下所有探测信号的时间信息。

步骤2)遍历时间飞行模块中所有的时间信息，通过为不同通道设置合适的延时和符合窗口，提取n个光子信号和1个触发信号的所有n+1体符合事件，为了标记每次符合事件的发生，将n+1体符合事件中触发信号的时间作为该次符合事件的时间戳，反映了该次符合事件的时间信息。

步骤3)将提取的符合事件和不同的出射组合一一对应，从而得到不同出射组合的时间戳τ1，τ2，τ3，……，τn。由于发生时间较早的组合应当出现概率较高，相反发生时间较晚的组合应当出现概率较低，因此利用所有出射组合的时间戳，通过取倒数，再进行归一化的方式，可以重构出射概率分布，每一种组合的概率为： 从而完成时间戳玻色采样量子计算。

技术效果

本发明整体解决了传统玻色采样实验利用采集出射组合计数的方式重构出射概率分布，通常情况下需要每种出射组合发生上百次来降低重构过程中的统计误差的问题。本发明仅需要采集出射组合发生几次的时间信息来重构概率分布，大幅减少了实验所需的时间成本，解决了如何在低通量及低采样条件下开展玻色采样实验的问题，这使得光子数n和模式数m能够进一步增加，提供了玻色采样量子计算迈向大规模大尺度阶段的可能性。

与现有技术相比，本发明利用飞秒激光直写技术得到的m模干涉仪，显著提高整体计算效率；利用时间重构概率分布的方式将所需的实验时间大幅降低了两个数量级。

附图说明

图1为时间戳玻色采样量子计算流程图；

图2为m模干涉仪结构示意图；

图3为时间飞行探测方法及数据后处理方法示意图；

图4为利用时间信息重构和利用计数方法重构概率分布的比较。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统，包括：m模干涉仪、探测端、时间飞行模块和数据处理模块，其中：m模干涉仪用于实现玻色采样量子计算；探测端用于探测m个出射模式及1个触发的输出信号，并将探测信号传输至时间飞行模块；时间飞行模块用于存储探测信号的时间信息并导出；数据处理模块用于后处理提取n+1体符合事件并重构最终的出射分布结果。

如图2所示，在本实施例中，m模干涉仪由飞秒激光直写三维光子芯片得到，直写速度为15mm/s，直写功率为230mw。

所述的三维光子芯片包括：入射区域、演化区域、出射区域，其中：入射口数量为6，考虑到效率，随机性等因素，在本实施例中，注入光子数n最终被确定为3个，出射模式数m为30，中间的演化区域为光子干涉过程，由5×6(5行6列)的二维波导阵列组成。

本实施例中，通过自发参量下转换效应，利用两块BBO晶体产生两对共4个光子，其中3个光子作为注入光子，另一个光子作为触发信号。3个光子通过半波片和四分之一波片控制偏振相同，再通过电控平移台补偿不同光子间的延时，从而保证光子的全同性。

本实施例中的干涉仪将3个全同光子注入入射口，经过演化区域的多光子干涉过程后，在30个出射模式中随机出射。若只考虑3个光子从不同模式出射的情况，则共有 种不同组合。

如图3所示，所述的时间飞行模块包括：与一个雪崩光电二极管相连的1个触发信号通道和30个出射信号通道，其中：30个出射信号连接的雪崩二极管与m模干涉仪的30个出射相连，触发信号连接的雪崩二极管直接与上述触发光子信号相连。当31个探测器中任意一个探测器探测到信号时，信号经由信号线传输至时间飞行模块，并记录该信号的发生时间t，后续通过同样的方式依次记录探测信号时间t1，t2，t3，……tn，最终在同一时间轴上按不同探测器探测到信号的先后次序记录下所有探测信号的时间。

本实施例涉及上述系统的探测，采集，存储及数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1)提取4体符合事件(3个光子信号和1个触发信号)时间信息的过程：如图3所示，遍历时间飞行模块所有通道记录的时间信息，设定适当的符合窗口(在本实施例中为2ns)，若是在2纳秒的时间窗口内包含1个触发信号和3个光子信号(触发信号一定先于光子信号发生)，则提取其为一次4体符合事件。为了有效标记该次4体符合事件的发生，将触发信号的时间作为该次符合事件的时间戳。在提取所有四体符合事件后，将其与4060种组合一一对应，从而得到了不同组合发生的时间信息τ1，τ2，τ3，……τn。

步骤2)重构玻色采样量子计算概率分布的过程：光源泵浦功率被设为600mw，通过自发参量下转换产生的光子对为10万对左右。在计数重构方法中，我们一共采集了50000秒数据，一共得到了83455个四体符合事件，并利用所有的计数重构了概率分布，如图4上半部分所示。而在时间重构方法中，为减少误差，本实施例中统计了每种组合发生5次的平均时间，最终利用所获得的时间信息，通过取倒数再归一化的方式得到玻色采样量子计算的出射概率分布 如图4下半部分所示。通过和计数方式得到的概率分布作比较，结果如图4所示，两者的相似度在98％之上。

图4结果表明时间戳重构方法和计数重构方法具有高度的相似性，然而时间戳重构仅需要每种组合发生几次的平均时间，而通常情况下，计数重构需要每种组合发生上百次来减少统计误差。本发明将实验所需的时间和计数率大幅降低了两个数量级，这将促进光子数n和模式数m的进一步增加，从而使得玻色采样量子计算迈向大规模大尺度的阶段，最终实现量子霸权。

综上，本实施例通过自发参量下转换的方式制备多光子Fock态，随后将产生光子注入自主制造的三维光子芯片中，通过多光子干涉过程最终出射，出射端连接探测器并将信号导入时间飞行模块，时间飞行模块记录信号的时间信息，最终由数据处理模块得到的实验数据是：利用出射组合的时间信息重构的概率分布。

与现有技术相比，本装置将实验所需要的时间和计数率降低了两个数量级，由于本方法只需利用事件发生几次的平均时间来重构出射概率分布，因此其使得玻色采样实验在低通量，低采样率的情况下依然能够开展。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

基于时间飞行探测技术实现时间戳玻色采样量子计算系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。